与微控制器完全隔离地控制输出模块

作者：Thomas Brand

无论是在建筑物中还是在生产车间，如今到处都需要可编程控制器来调节各种过程、机器和系统。这涉及设备所连接的可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制系统（DCS）模块。为了控制这些设备，PLC 和 DCS 模块通常具有具有电流输出、电压输出或两者组合的输出模块。工业控制模块涵盖 ±5 V、±10 V、0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、4 mA 至 20 mA 和 0 mA 至 20 mA 的标准模拟输出电压和电流范围。特别是在工业领域，通常需要对微控制器和输出外设进行电气隔离。

经典解决方案提供分立设计，将来自微控制器的数字信号转换为模拟信号，或提供不同的模拟输出，并实现电流隔离。然而，与集成解决方案相比，分立式设计表现出许多缺点。例如，大量元件会导致系统复杂性高、电路板尺寸大、成本高。短路能力甚至故障诊断等附加特性突出了这些缺点。

更好的解决方案是在单个芯片上集成尽可能多的功能，例如与Inc.（ADI）所做的那样。除了数模转换外，它还提供完全集成的可编程电流源和可编程电压输出，从而满足工业过程控制应用的要求。

图1所示为对输出模块的模拟输出级进行完全隔离控制的示例电路。它特别适用于需要 4 mA 至 20 mA 标准电流输出和单极性或双极性输出电压范围的过程控制应用中的 PLC 和 DCS 模块。本电路基于ADI公司的高精度16位DACAD5422和ADuM1401四通道数字隔离模块。

16位DAC的输出可通过串行外设接口（SPI）进行配置。该模块还具有集成的诊断功能，可用于工业环境。微控制器和DAC之间所需的绝缘电阻由隔离模块提供，隔离模块的四个通道用于与DAC的SPI连接：三个通道（锁存器、SCLK和SDIN）发送数据，第四个通道（SDO）接收数据。

特别是在工业应用中，必须提供耐高干扰电压的鲁棒输出。IEC 61000等标准规定了鲁棒性要求，例如，该标准规定了电磁兼容性（EMC）方面的要求。为了符合这些标准，必须在输出端安装额外的外部保护电路。保护电路的一种可能性如图2所示。

图1.使用AD5422和ADuM1401对模拟输出级进行隔离控制的简化示例电路。


图2.AD5422输出符合IEC 61000标准的保护电路。

电流输出（I外） 可以在 4 mA 至 20 mA 或 0 mA 至 20 mA 范围内选择性编程。电压输出通过单独的V提供外引脚，可配置为 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、±5 V 或 ±10 V 的电压范围。所有电压范围的超量程为10%。两个模拟输出均具有短路和开路保护，可驱动高达1 μF的容性负载和高达50 mH的感性负载。

DAC需要一个模拟电源（AVDD）范围为 10.8 V 至 40 V。对于数字电源电压（DV抄送），需要 2.7 V 至 5.5 V。或者，DV抄送可用作系统中其他元件的电源引脚或上拉电阻的端接。为此，DV抄送_SELECT引脚应浮动，内部4.5 V LDO稳压器电压应施加到DV抄送针。最大可用电源电流为5 mA。在所示电路中，DV抄送用于为ADuM1401的电气隔离侧供电。

使用ADR4550外部基准电压从16位DAC获得高精度转换结果。这是一款高精度、低功耗、低噪声基准电压源，最大初始精度为0.02%，具有出色的温度稳定性和低输出噪声。此处所示的电路特别适用于提供电流和电压输出的PLC或DCS模块的输出模块，并且必须符合IEC 61000等EMC标准。