電路功能與優(yōu)勢(shì)
　　圖1所示電路是一款適合過(guò)程控制應(yīng)用的完全可編程通用模擬前端(AFE)。它支持下列輸入：2/3/4線RTD配置、帶冷結(jié)補(bǔ)償?shù)臒犭娕驾斎搿螛O性和雙極性輸入電壓、4 mA至20 mA輸入。
　
　　如今，許多模擬輸入模塊使用線鏈路（跳線）來(lái)配置客戶(hù)輸入要求，配置和重新配置輸入需要時(shí)間、知識(shí)和手動(dòng)干預(yù)。本電路提供一個(gè)用來(lái)配置工作模式的軟件可控開(kāi)關(guān)以及用來(lái)激勵(lì)RTD的恒流源。本電路也可以重新配置，以便設(shè)置熱電偶配置的共模電壓。一個(gè)差分放大器用來(lái)調(diào)理Σ-Δ ADC的模擬輸入范圍。本電路以最低的成本提供業(yè)界領(lǐng)先的性能。
　
　　由于AD8676 和 AD8275 提供電壓增益，因此該設(shè)計(jì)特別適合小信號(hào)輸入、所有類(lèi)型的RTD或熱電偶。
　
　　AD7193 是一款24位Σ-Δ型ADC，可配置為四路差分輸入或八路偽差分輸入。ADuM1400 和 ADuM1401在微控制器與ADC之間提供所需的全部信號(hào)隔離。本電路還含有標(biāo)準(zhǔn)外部保護(hù)功能，符合IEC 61000標(biāo)準(zhǔn)。

圖1. 適合過(guò)程控制應(yīng)用的通用可編程模擬前端（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

電路描述
　　本電路針對(duì)過(guò)程控制應(yīng)用提供一款完全可編程的通用模擬前端(AFE)，支持2/3/4線RTD配置、帶冷結(jié)補(bǔ)償?shù)臒犭娕驾斎?、單極性和雙極性輸入電壓、4 mA至20 mA輸入，如圖2的配置圖所示。
　
　　串行控制的8通道單刀單擲開(kāi)關(guān) ADG1414用于配置選定的測(cè)量模式。

圖2. 模擬輸入配置表

電壓測(cè)量
　　本電路支持最高達(dá)±10 V的單極性和雙極性信號(hào)測(cè)量。輸入信號(hào)先通過(guò)一個(gè)信號(hào)調(diào)理級(jí)，然后由AD7193 ADC執(zhí)行轉(zhuǎn)換。AD8676放大器緩沖輸入信號(hào)，然后由增益級(jí)放大。AD8275用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并提供增益，使其符合AD7193的輸入范圍。與REF引腳相連的共模電壓用來(lái)偏置AD8275的輸出。此電壓由4.5 V精密基準(zhǔn)電壓源 REF194 產(chǎn)生。
　
RTD測(cè)量
　　如連接表所示，本電路支持2/3/4線RTD配置。此時(shí)，傳感器是一個(gè)1000 Ω鉑(Pt) RTD（電阻溫度檢測(cè)器）。最精確的配置是4引腳RTD配置。在所示的應(yīng)用中，外部200 μA電流源提供RTD所需的激勵(lì)電流，AD7193在16倍增益下工作，使電路的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大。選擇RTD測(cè)量模式時(shí)， AD8617 放大器被配置為電流源。選擇熱電偶測(cè)量時(shí)，它在閉環(huán)中重新配置，以便設(shè)置共模電壓。AD8617是一款雙通道低噪聲放大器，因此它能同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路板上的兩個(gè)輸入通道。配置電流源的電阻必須具有低溫度系數(shù)，以免在測(cè)量電路中引入溫漂誤差。
　
熱電偶測(cè)量
　　在熱電偶應(yīng)用中，以ADC外部的絕對(duì)基準(zhǔn)電壓為基礎(chǔ)來(lái)測(cè)量熱電偶所產(chǎn)生的電壓。冷結(jié)補(bǔ)償利用16位溫度傳感器 ADT7310 實(shí)現(xiàn)。因?yàn)闊犭娕嫉男盘?hào)較小，同時(shí)為使電路的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大，所以AD7193在128倍的最高增益下工作。輸入通道具有緩沖功能，因此需要時(shí)可將大去耦電容置于前端，以便于消除可能出現(xiàn)在熱電偶引腳上的噪聲影響。熱電偶測(cè)量所用的共模電壓由放大器AD8617提供。
　
4 mA至20 mA電流測(cè)量
　　本電路還支持4 mA至20 mA電流測(cè)量。利用片上檢測(cè)電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓。為在電流測(cè)量模式下使用ADC的全部動(dòng)態(tài)范圍，使用一個(gè)200 Ω電阻。該檢測(cè)電阻必須具有低溫度系數(shù)，以免在測(cè)量電路中引入溫漂誤差。
　
穩(wěn)壓器和基準(zhǔn)電壓源的選擇
　　本電路選擇 ADP1720 作為5 V穩(wěn)壓器。
　
　　ADP1720是一款高壓微功耗線性穩(wěn)壓器，特別適合工業(yè)應(yīng)用。本電路選擇4.5 V REF194作為基準(zhǔn)電壓源，E級(jí)器件在25°C時(shí)的初始精度為±2 mV，最大溫漂為5 ppm/°C。它是一款低壓差器件，功耗小于45 μA，額定工作溫度范圍為−40°C至+125°C。
　
隔離
　　ADuM1400和ADuM1401是基于ADI公司 iCoupler® 技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器，用來(lái)在現(xiàn)場(chǎng)端與系統(tǒng)微控制器之間實(shí)現(xiàn)隔離，隔離額定值為2.5 kV rms。ADuM1400使用4條線，全部用于發(fā)送數(shù)據(jù)（SCLK、DIN、ADG1414、ADT7310）。ADuM1401也使用4條線，1條線用于發(fā)送數(shù)據(jù)( AD7193)，3條線用于接收數(shù)據(jù)（INT1、INT2、DOUT）。DIN、DOUT和SCLK線連接到SPORT接口。

　　圖3顯示配置為雙極性輸入模式并且輸入接地時(shí)AD7193輸出性能的直方圖。該直方圖顯示了等效輸入噪聲的影響。這種模式實(shí)現(xiàn)的有效分辨率為19.2位。
　
　　表1顯示了其它模式下基于1000個(gè)ADC數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的性能。
　
　　該設(shè)計(jì)還包括外部保護(hù)功能，如標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)二極管和瞬變電壓抑制器（TVS器件）等，用以增強(qiáng)電路的魯棒性。更多信息參見(jiàn)CN0209設(shè)計(jì)支持包中的原理圖和其它資源：http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport。

圖3. AD1793噪聲分布直方圖（1000樣本，50 Hz數(shù)據(jù)速率，增益 = 1，輸入 = 4.5 V基準(zhǔn)電壓）

電路評(píng)估與測(cè)試
　　本電路使用EVAL-CN0209-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。這兩片板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。EVAL-CN0209-SDPZ板包含要評(píng)估的電路，如本筆記所述。SDP評(píng)估板與CN0209評(píng)估軟件一起使用，可從EVAL-CN0209-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。
　
設(shè)備要求
　　－帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）PC
　?。璄VAL-CN0209-SDPZ 電路評(píng)估板
　?。璄VAL-SDP-CB1Z SDP 評(píng)估板
　?。瑿N0209 評(píng)估軟件
　?。?15 V和–15 V電源
　?。璕TD溫度傳感器
　　－熱電偶
　
開(kāi)始使用
　　將CN0209評(píng)估軟件光盤(pán)放進(jìn)PC的光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開(kāi)“我的電腦”，找到包含評(píng)估軟件光盤(pán)的驅(qū)動(dòng)器，打開(kāi)Readme文件。按照Readme文件中的說(shuō)明安裝和使用評(píng)估軟件。
　
　　電路的功能框圖參見(jiàn)本電路筆記的圖1，電路原理圖參見(jiàn)“EVAL-CN0209-SDPZ-SCH-Rev0.pdf”文件。此文件位于CN0209設(shè)計(jì)支持包中： http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport
　
設(shè)置
　　EVAL-CN0209-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評(píng)估板上標(biāo)有“CON A”的連接器。通過(guò)120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電情況下，將一個(gè)+15 V電源連接到板上標(biāo)有“+15 V”的引腳，將一個(gè)−15 V電源連接到板上標(biāo)有“−15 V”和“GND”的引腳。SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：此時(shí)請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。
　
測(cè)試
　　為連接到EVAL-CN0209-SDPZ電路板的±15 V電源通電。啟動(dòng)評(píng)估軟件，并通過(guò)USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器。
　　一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來(lái)發(fā)送、接收、捕捉來(lái)自EVAL-CN0209-SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。
電壓測(cè)量
　　若要測(cè)量電壓測(cè)量電路的噪聲，請(qǐng)將輸入J3和J4同時(shí)接地，然后點(diǎn)擊軟件中相應(yīng)通道的按鈕：V1（若使用通道1）或V2（若使用通道2）。
　　若要測(cè)量電壓，請(qǐng)按照?qǐng)D2（模擬輸入配置表）所示連接輸入J3和J4，然后如上所述，點(diǎn)擊軟件中的相應(yīng)按鈕。
　　結(jié)果以波形和直方圖顯示?？梢允褂们袚Q按鈕選擇電壓測(cè)量結(jié)果的刻度：μV、mV或V。
RTD測(cè)量
　　若要通過(guò)RTD溫度傳感器測(cè)量溫度，請(qǐng)按照?qǐng)D2所示連接輸入J1、J2、J3和J4。RTD 2線、3線或4線各對(duì)應(yīng)一種連接配置。然后，點(diǎn)擊軟件中的相應(yīng)按鈕（RTD1表示通道1，RTD2表示通道2）。
　　可以使用波形上方的切換按鈕來(lái)選擇測(cè)量結(jié)果的顯示單位：華氏度、攝氏度或開(kāi)氏度。
熱電偶測(cè)量
　　若要通過(guò)熱電偶測(cè)量溫度，請(qǐng)按照?qǐng)D2所示連接輸入J1、J2、J3和J4。選擇所用的熱電偶類(lèi)型（B、E、J、K、R、S、T、N），然后點(diǎn)擊軟件中的TC按鈕（TC1表示通道1，TC2表示通道2）。
　　可以使用波形上方的切換按鈕來(lái)選擇測(cè)量結(jié)果的顯示單位：華氏度、攝氏度或開(kāi)氏度。
電流測(cè)量
　　若要測(cè)量電流，請(qǐng)按照?qǐng)D2所示連接輸入J5和J6，然后點(diǎn)擊軟件中的相應(yīng)按鈕（I1表示通道1，I2表示通道2）。
　　可以使用切換按鈕選擇電流測(cè)量結(jié)果的刻度：μA、mA或A。
　　有關(guān)SDP板的信息，請(qǐng)參閱 SDP 用戶(hù)指南。