使用4引脚或6引脚端子板的PLC/DCS通用模拟输入

时间：2014-09-15 16:54:29

关键字：引脚端子模拟输入 PLC/DCS

[导读] 评估和设计支持电路评估板CN0325评估板(EVAL-CN0325-SDPZ)系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)设计和集成文件原理图、布局文件、物料清单电路功能与优势图1所示电路提供两个16位全隔离式通用模拟输入通道，适用于可编程逻辑

评估和设计支持

电路评估板

CN0325评估板(EVAL-CN0325-SDPZ)

系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1所示电路提供两个16位全隔离式通用模拟输入通道，适用于可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)模块。两个通道均支持软件编程，以及多种电压、电流范围和热电耦、RTD类型，具体如图1所示。输入通道提供±30 V直流过压条件保护。

演示板含有两个不同的全隔离式通用输入通道，一个带4引脚端子板(CH2)，一个带6引脚端子板(CH1)。对于4引脚端子板(CH2)，电压、电流、热电偶和RTD输入全部共用相同的4个端子，从而最大限度地减少了所需端子引脚的数量。对于6引脚端子板通道(CH1)，电压和电流输入共用一组3个端子，热电偶和RTD输入共用另一组3个端子;这需要更多端子，但其器件数量较少，元件成本也较低。图2所示为PCB照片，图3所示为电路的详细原理图。

电路描述

AD7795低噪声、16位Σ-Δ ADC搭载片内仪表放大器和基准电压源，用于数据转换应用。片内仪表放大器和电流源为RTD和热电偶测量提供了一种完整的解决方案。对于电压和电流输入，AD8226仪表放大器(其CMR大于90 dB)用于提供高输入阻抗，抑制共模干扰。通过一个精密电阻分频器将电压和电流信号缩放至ADC的范围之内。

ADR441是一款超低噪声、低压差XFET® 2.5 V基准电压源，用作ADC的基准电压源。

对于4引脚端子板通道(CH2)，使用ADG442、低RON防闩锁开关来在电压、电流、热电偶和RTD输入模式之间切换。

数字和电源隔离采用ADuM3471实现，这是一款PWM控制器和变压器驱动器，搭载四通道隔离器，用于基于外部变压器产生±15 V隔离式电源。ADuM1311三通道数字隔离器也用在4引脚端子板电路中，用于隔离ADG442开关的控制线路。

ADP2441 36 V降压DC-DC稳压器输入电源的容限较宽，是接受24 V工业电源的理想之选。最高可接受36 V电源，因而更有利于实现对电源输入进行可靠的瞬变保护。将输入电压降至5 V，以驱动ADuM3471以及所有其他控制端电路。电路在24V电源端还提供了外部保护功能。

ADP2441还具有其他各种安全性/可靠性功能，如欠压闭锁(UVLO)、精确使能特性、电源良好引脚和过流限值保护。还可以在24 V输入、5 V输出配置中实现最高90%的效率。

硬件

图2所示为含4引脚端子板的通道位置以及含6引脚端子板的通道位置。同时显示了24 V电源输入的位置。

通道选择

需要插入并切换跳线，以配置CH1和CH2之间的电源和SPI信号，如表1所示。

电源配置

用24 V电源来驱动评估板的控制器端。也可使用5 V电源，旁路ADP2441电路。该5 V输入不具有任何过压保护功能，不得超过6 V。所用电源应通过J4链路选项进行配置，如表2所示。

对于隔离栅的模拟输入端，有两种选项可用于驱动模拟电路的5 V稳压电源。可使用ADP1720线性稳压器将15 V电源降至5 V，也可使用ADuM3471的内置5 V稳压器。两种选项的链路配置如表3所示。

电压和电流

P12连接器用于电压和电流输入连接。图11和图12所示为该输入连接和配置的简化原理图。支持的差分输入范围为：0 V至5V、0 V至10V、±5V、±10 V、0 mA至20 mA、4 mA至20 mA和±20 mA。在V1+和V1–之间连接电压或电流输入，因为电流输入会同时把V1+和I1引脚短接在一起。结果连接一个249 Ω精密电流检测电阻，其精度为0.1%，额定值为0.25 W。

热电偶

P12连接器也用于热电偶输入。可以连接多种热电偶类型，包括J、K、T和S。热电偶连接于V1+和V1-输入之间(图5)。下面的图6所示为将热电偶(例如，T型)连接到通用型模拟输入板的方法。热电偶输入的简化原理图见图13。

RTD

P12、P13连接器用于RTD输入。硬件可以支持1000 Ω和100 Ω铂RTD输入。对于3线模式，两条共用线连接至V1+和V1–，回路连接至Vm(见图5)。下面的图7所示为将3线RTD传感器连接到通用型模拟输入板的方法。RTD输入的简化原理图见图14。

电压和电流

P10连接器用于电压和电流输入连接。支持的差分输入范围为：0 V至5 V、0 V至10V、±5V、±10V、0 mA至20 mA、4 mA至20mA和±20 mA。在V1+和V1–之间连接电压或电流输入(见图13)，尽管对于电流输入，同时还要把V1+和I1引脚短接在一起，结果连接一个249 Ω精密电流检测电阻，其精度为0.1%，额定值为0.25 W。

热电偶

P11连接器用于热电偶输入。可以连接多种热电偶类型，包括J、K、T和S。热电偶连接于V+和V-输入之间(图8)。下面的图9所示为将热电偶(此例为T型)连接到通用型模拟输入板的方法。

RTD

P11连接器也用于RTD输入。硬件可以支持1000 Ω和100 Ω铂RTD输入。对于3线模式，两条共用线连接至V+和V–，回路连接至Vm(见图8)。下面的图10所示为将3线RTD传感器连接到通用型模拟输入板的方法。

软件说明

通用模拟输入板附带一张CD光盘，其中含有用Labview设计的评估软件。可将该软件安装到装有Windows XP (SP2)、Vista(32位或64位)或Windows 7(32位或64位)的标准PC上。要使用评估软件，需要SDP-B(系统演示平台B版)。

在评估软件运行时，来自板载EEPROM的优化默认配置以及校准参数将加载到软件中。评估软件允许用户通过通用模拟输入板采集数据，可以对该数据进行分析，也可将其保存到文件中。分析结果以坐标图和数字格式显示在屏幕上。用户可以设置自己的配置和校准值，将其保存到板载EEPROM中，软件会记录配置并在下次运行时自动上传。

软件安装

1. 插入CD光盘(或者从以下网址下载软件安装包：ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0325/)

2. 在CD或下载的文件中找到Setup.exe文件。双击该文件，启动安装程序。

3. 按照屏幕指示操作，完成安装。

请先安装评估软件，再将评估板和SDP板连接到PC的USB端口，确保PC能够正确识别评估系统和SDP板。安装完成后，

1. 使用附带的电缆，通过PC的USB端口连接EVAL-SDP-CB1Z。

2. 将EVAL-CN0325-SDPZ评估板连接至两个SDP连接器之一。

1. 打开EVAL-CN0325-SDPZ(确保按“硬件”部分的要求正确设置跳线)

2. 启动EVAL-CN0325-SDPZ软件(“CN0325.exe”)，然后确认出现的所有对话框。这样就完成了安装。

使用软件

软件主面板如图16所示。硬件通过Configuration(配置)选项卡进行配置，该选项卡分为三个子选项卡，分别处理不同的功能。Acquisition Result(采集结果)选项卡显示来自ADC的所有数据，并将结果转换成相关单位。Calibration(校准)选项卡允许用户对任何范围进行校准。有关已连接SDP板和软件的详情可在S/W Version Info(软件版本信息)选项卡中找到。

图16. 评估软件主面板。

主窗口按钮

Connect to SDP(连接至SDP)：单击设置SDP板和评估板之间的连接。

Disconnect to SDP(断开与SDP的连接)：单击断开SDP板与评估板之间的连接。

Single Capture(单次捕获)：单击启动单次捕获。

Start (Stop) Acquisition(开始(停止)采集)：单击开始(停止)连续捕获。

Save Data(保存数据)：将软件中显示的数据保存至文件，以便进一步分析使用。

Quit(退出)：退出应用程序。

Configuration(配置)选项卡

Hardware Configuration(硬件配置)子选项卡

Hardware Configuration(硬件配置)子选项卡上的图片(见图17)展示的是所选输入的正确跳线设置方法和接线方法。为确保结果的正确性，硬件上的跳线设置应与图片相同。不同的输入选项列于下方：

Circuit Type(电路类型)：有两个完全隔离式通用模拟输入电路可供选择。“Type1- 6TB”：成本最低的解决方案，带6引脚传感器和信号连接端子;或者“Type2- 4TB”：一种更加紧凑的解决方案，只带4引脚传感器和信号连接端子。

Input Signal Type(输入信号类型)：评估板可以转换多类信号，包括电压、电流、热电偶和RTD。一旦选定，就必须选择所需范围的热电偶/RTD类型。

Capture Mode(捕获模式)：设置数据捕获方法。要么是单次捕获模式，即只捕获指定数量的采样。要么是连续捕获模式，即将连续捕获数据，直到用户停止采集为止。

AD7795配置子选项卡

对于在硬件配置选项卡中选择的每一类输入信号范围，都会有相应的默认配置加载到通用模拟输入板中。本AD7795配置选项卡(见图17)支持更高级的配置，并且具有较大的灵活性，能够以不同于默认值的配置对板进行评估。

该选项卡的使用要求掌握具体的AD7795寄存器、功能和硬件结构知识。配置不正确可能导致采集或运行错误。按钮Recover All (Current) range to Default(将全部(当前)范围恢复为默认值)用于恢复所选范围的默认配置。

图17. AD7795配置页。

ADT7310配置子选项卡

有一个板载温度传感器芯片ADT7310，在热电偶测量过程中，该芯片靠近端子板，以实现冷结补偿。一般情况下，会将默认配置加载到通用模拟输入板中。本ADT7310配置选项卡(见图18)支持更高级的配置，并且具有较大的灵活性，能够以不同于默认值的配置对板进行评估。该选项卡的使用要求掌握具体的ADT7310寄存器、功能和硬件结构知识。

图18. ADT7310配置页。

Acquisition Result(采集结果)选项卡

Converted Result(转换结果)子选项卡

基于来自数据转换器的RAW数据以及通道配置和校准值，将结果转换成相关的单位。数据以波形图显示在该子选项卡中(见图19)。同时对数据进行分析，以提供采样数、均值、最小值、最大值、rms和峰峰值噪声以及rms和峰峰值分辨率。

图19. 采集结果选项卡，转换结果子选项卡

ADC RAW Data(ADC RAW数据)子选项卡

直接从ADC读取的采集数据以波形图显示在该子选项卡中。同时对数据进行分析，以提供采样数、均值、最小值、最大值、rms和峰峰值噪声以及rms和峰峰值分辨率。

Histogram(直方图)子选项卡

直方图选项卡(见图20)清楚地显示了已捕获的RAW ADC数据的分布情况。该图表可以用来评估噪声和采集稳定性。

图20. 采集结果选项卡，直方图子选项卡

Calibration(校准)选项卡

该软件同时为每一种输入信号和传感器类型提供了独立的校准参数。这样，用户就可以准确地校准系统失调和增益，以使系统实现高直流精度(见图21)。校准参数可以存储到板载EEPROM中，以便以后使用。完整的校准同时要求进行零电平校准和满量程校准。