電路功能與優勢
圖1所示電路是一款適合過程控制應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、帶冷結補償的熱電偶輸入、單極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）來配置客戶輸入要求，配置和重新配置輸入需要時間、知識和手動干預。本電路提供一個用來配置工作模式的軟件可控開關以及用來激勵RTD的恒流源。本電路也可以重新配置，以便設置熱電偶配置的共模電壓。一個差分放大器用來調理Σ-Δ ADC的模擬輸入范圍。本電路以最低的成本提供業界領先的性能。
由于AD8676 和 AD8275 提供電壓增益，因此該設計特別適合小信號輸入、所有類型的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隔離。本電路還含有標準外部保護功能，符合IEC 61000標準。
圖1. 適合過程控制應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
本電路針對過程控制應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、帶冷結補償的熱電偶輸入、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通道單刀單擲開關 ADG1414用于配置選定的測量模式。
圖2. 模擬輸入配置表
電壓測量
本電路支持最高達±10 V的單極性和雙極性信號測量。輸入信號先通過一個信號調理級，然后由AD7193 ADC執行轉換。AD8676放大器緩沖輸入信號，然后由增益級放大。AD8275用來對輸入信號進行電平轉換，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偏置AD8275的輸出。此電壓由4.5 V精密基準電壓源 REF194 產生。
RTD測量
如連接表所示，本電路支持2/3/4線RTD配置。此時，傳感器是一個1000 Ω鉑(Pt) RTD（電阻溫度檢測器）。最精確的配置是4引腳RTD配置。在所示的應用中，外部200 μA電流源提供RTD所需的激勵電流，AD7193在16倍增益下工作，使電路的動態范圍達到最大。選擇RTD測量模式時， AD8617 放大器被配置為電流源。選擇熱電偶測量時，它在閉環中重新配置，以便設置共模電壓。AD8617是一款雙通道低噪聲放大器，因此它能同時驅動電路板上的兩個輸入通道。配置電流源的電阻必須具有低溫度系數，以免在測量電路中引入溫漂誤差。
熱電偶測量
在熱電偶應用中，以ADC外部的絕對基準電壓為基礎來測量熱電偶所產生的電壓。冷結補償利用16位溫度傳感器 ADT7310 實現。因為熱電偶的信號較小，同時為使電路的動態范圍達到最大，所以AD7193在128倍的最高增益下工作。輸入通道具有緩沖功能，因此需要時可將大去耦電容置于前端，以便于消除可能出現在熱電偶引腳上的噪聲影響。熱電偶測量所用的共模電壓由放大器AD8617提供。
4 mA至20 mA電流測量
本電路還支持4 mA至20 mA電流測量。利用片上檢測電阻將電流轉換為電壓。為在電流測量模式下使用ADC的全部動態范圍，使用一個200 Ω電阻。該檢測電阻必須具有低溫度系數，以免在測量電路中引入溫漂誤差。
穩壓器和基準電壓源的選擇
本電路選擇 ADP1720 作為5 V穩壓器。
ADP1720是一款高壓微功耗線性穩壓器，特別適合工業應用。本電路選擇4.5 V REF194作為基準電壓源，E級器件在25°C時的初始精度為±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® 技術的四通道數字隔離器，用來在現場端與系統微控制器之間實現隔離，隔離額定值為2.5 kV rms。ADuM1400使用4條線，全部用于發送數據（SCLK、DIN、ADG1414、ADT7310）。ADuM1401也使用4條線，1條線用于發送數據( AD7193)，3條線用于接收數據（INT1、INT2、DOUT）。DIN、DOUT和SCLK線連接到SPORT接口。
|
輸入 |
AD7193 配置 |
均方根噪聲(nV) |
有效分辨率（位） |
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±10V 輸入范圍 |
增益= 1；50 Hz和60 Hz抑制；輸出數據速率= 50 Hz |
7940 |
19.15 |
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4 mA 至20 mA范圍 |
增益= 1；50 Hz和60 Hz抑制；輸出數據速率= 2.63 Hz |
931 |
22.24 |
|
RTD |
增益= 16；50 Hz和60 Hz抑制；輸出數據速率= 2.63 Hz |
243 |
20.29 |
|
熱電偶 |
增益= 128；50 Hz和60 Hz抑制；輸出數據速率= 2.63 Hz |
220 |
19.23 |
圖3顯示配置為雙極性輸入模式并且輸入接地時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。這種模式實現的有效分辨率為19.2位。
表1顯示了其它模式下基于1000個ADC數據采樣點的性能。
該設計還包括外部保護功能，如標準保護二極管和瞬變電壓抑制器（TVS器件）等，用以增強電路的魯棒性。更多信息參見CN0209設計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數據速率，增益 = 1，輸入 = 4.5 V基準電壓）
電路評估與測試
本電路使用EVAL-CN0209-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP)評估板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設置并評估電路性能。EVAL-CN0209-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN0209評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0209-SDPZ電路板獲取數據。
設備要求
－帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）PC
－EVAL-CN0209-SDPZ 電路評估板
?。璄VAL-SDP-CB1Z SDP 評估板
－CN0209 評估軟件
?。?15 V和–15 V電源
－RTD溫度傳感器
?。瓱犭娕?br />
開始使用
將CN0209評估軟件光盤放進PC的光盤驅動器，加載評估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評估軟件光盤的驅動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。
電路的功能框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見“EVAL-CN0209-SDPZ-SCH-Rev0.pdf”文件。此文件位于CN0209設計支持包中： http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport
設置
EVAL-CN0209-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評估板上標有“CON A”的連接器。通過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+15 V電源連接到板上標有“+15 V”的引腳，將一個−15 V電源連接到板上標有“−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：此時請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。
測試
為連接到EVAL-CN0209-SDPZ電路板的±15 V電源通電。啟動評估軟件，并通過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板來發送、接收、捕捉來自EVAL-CN0209-SDPZ板的串行數據。
電壓測量
若要測量電壓測量電路的噪聲，請將輸入J3和J4同時接地，然后點擊軟件中相應通道的按鈕：V1（若使用通道1）或V2（若使用通道2）。
若要測量電壓，請按照圖2（模擬輸入配置表）所示連接輸入J3和J4，然后如上所述，點擊軟件中的相應按鈕。
結果以波形和直方圖顯示。可以使用切換按鈕選擇電壓測量結果的刻度：μV、mV或V。
RTD測量
若要通過RTD溫度傳感器測量溫度，請按照圖2所示連接輸入J1、J2、J3和J4。RTD 2線、3線或4線各對應一種連接配置。然后，點擊軟件中的相應按鈕（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選擇測量結果的顯示單位：華氏度、攝氏度或開氏度。
熱電偶測量
若要通過熱電偶測量溫度，請按照圖2所示連接輸入J1、J2、J3和J4。選擇所用的熱電偶類型（B、E、J、K、R、S、T、N），然后點擊軟件中的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選擇測量結果的顯示單位：華氏度、攝氏度或開氏度。
電流測量
若要測量電流，請按照圖2所示連接輸入J5和J6，然后點擊軟件中的相應按鈕（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量結果的刻度：μA、mA或A。
有關SDP板的信息，請參閱 SDP 用戶指南。