AD7124-4 24位Σ- 型ADC集成可編程增益陣列(PGA)和基準電壓源，為靈活地連接熱電偶或RTD傳感器提供完整的特性組合。其特性包括片內基準電壓源、可編程增益陣列、激勵電流、偏置電壓發生器以及提供增強50 Hz和60 Hz抑制選項的靈活濾波。AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封裝，因而非常適合空間為重要考慮因素的通道間隔離設計。它還包括多個可供用戶使用的診斷功能。

ADuM5010隔離式DC/DC轉換器通過集成的isoPower^?技術提供3.3 V隔離電源。ADuM1441用于隔離AD7124-4的串行外設接口(SPI)。AD7124-4微功耗隔離器空閑時每通道的功耗僅4.8 A，能效非常高。

ADP2441是36 V降壓DC-DC穩壓器，采用工業標準24 V電源，具有寬輸入電壓容差。ADP2441用于將輸入電壓降至3.3 V，從而為所有控制器側電路供電。


系統概述

通道間隔離在自動化系統中極具優勢，因為特定輸入通道的故障不會影響系統中的其它通道。然而，通道間隔離輸入模塊給設計提出了重大挑戰，具體表現在復雜度、空間限制和系統成本這些方面。

熱電偶或RTD輸入是工業自動化系統的常用輸入，因此，設計一個能夠處理兩者的溫度輸入模塊很有用。這種靈活性最大程度地減少了兩種輸入模塊的設計工作，而且為模塊用戶提供了靈活性。

AD7124-4顯著降低了設計復雜度，提供一個片上系統，能夠執行熱電偶和RTD傳感器所需的全部測量功能。

圖1所示電路的每個通道大小僅有27 mm × 50 mm，若在印刷電路板(PCB)兩面貼放器件，則上述面積可進一步縮小。之所以能實現如此小的尺寸，是因為AD7124-4采用5 mm ×5 mm小型LFCSP封裝，并且集成了幾乎所有必需的功能，除了隔離以及附加前端濾波和保護之外。用于數據和電源隔離的隔離電路僅占用87 mm²，最小合并寬度為12.5 mm。


端子連接

圖2顯示了兩個輸入通道各自的端子連接。這些引腳對應于硬件中的P1和P2(見圖1)。熱電偶以及2/3/4線RTD連接如圖所示。

圖2. 前端濾波和電路(簡化圖)

輸入濾波

如圖3所示，輸入共模噪聲濾波由R1、C1和R2、C2實現，截止頻率約為50 kHz。差分噪聲濾波由R1、R2和C3實現，截止頻率約為2.5 kHz。務必以Σ- 調制器頻率(全功率模式下為307 kHz)濾除任何干擾，這點特別重要。建議調整這些濾波器的截止頻率以滿足系統帶寬要求，共模濾波器的截止頻率約為差分濾波器截止頻率的10倍。

輸入保護

為保護輸入不受過壓狀況影響，AD7124-4的每個輸入路徑上都放置了3 k 電阻。此電阻值將30 V DC過壓產生的電流限制在10 mA以下。

考慮30 V電壓連接在AIN+和AIN?之間的情況。從AIN+朝里看，30 V電壓看到R1 (3 kΩ)，之后是內部ESD保護二極管，再后面是從AIN3朝外看到的3 kΩ電阻與從AIN4朝外看到的3 k 電阻并聯。忽略內部ESD保護二極管，AIN+與AIN?之間的總電阻為3 kΩ + 3 kΩ||3 kΩ = 4.5 kΩ。因此，流經AD7124-4的電流限值為30 V ÷ 4.5 kΩ = 6.7 mA。


RTD輸入

圖1所示電路可連接到2線、3線或4線RTD。最大可測量3.92 kΩ電阻，因此它適用于Pt100和Pt1000 RTD。使用電流激勵，電阻測量為RTD與3.92 kΩ精密基準電阻(R_REF)之間的比率式測量結果。如圖3所示，RTD測量在AIN1和AIN3之間進行，REFIN1+和REFIN1?用作測量的基準輸入。激勵電流設置如下：

• 2線模式：僅AIN0上的激勵有效，設置為250 μ A。
• 3線模式：AIN0和AIN4上的激勵電流均有效，各設置為100 μ A。
• 4線模式：僅AIN0上的激勵有效，設置為250 μ A。

使用高端電流檢測技術。對于較低的RTD引線電阻值，此技術可降低3線模式下電流失配的影響。有關3線RTD配置的更多信息，參見電路筆記CN-0383

基準電阻(R_REF)選擇為3.92 kΩ，最高支持850°C的Pt1000 RTD測量(850°C時RTD電阻為3.9048 kΩ)。R_REF的值必須根據RTD的最大預期電阻來選擇。R_REF電阻的精度直接影響測量精度，因此，必須使用精密、低漂移電阻。

4線模式下，激勵電流必須設置為250 μA，3線模式下設置為100 μA。對于4線模式，假設RTD值為3.92 kΩ。來自AIN0的激勵電流流經RREF+ RRTD+ RRETURN= 3.92 kΩ+ 3.92 kΩ+ 3 kΩ =10.84 kΩ。因此，AIN0處的電壓等于250 μA × 10.84 kΩ =2.71 V。AD7124-4指定激勵電流輸出端的輸出順從電壓為AVDD? 0.35 V，即3.3 V – 0.35 V = 2.95 V。因為2.95 V > 2.71 V，所以即使對于最大RTD電阻，250 μA激勵電流也能正常工作。

有關4線RTD配置的更多信息，參見電路筆記CN-0381。

在3線模式下，來自AIN4的引腳補償激勵電流也會流經3 k Ω ?返回電阻，在AIN0處產生一個附加電壓：250 μA × 3 k Ω  =0.75 V。因此，AIN0處的總電壓等于2.71 V + 0.75 V = 3.46 V，這違反了裕量要求。所以，在3線模式下，各激勵電流必須降至100 μA以提供足夠的裕量。

PGA增益可用來提高測量分辨率。對于Pt100 RTD，建議使用8倍增益(因為Pt100值比Pt1000值小10倍)。

為實現所需精度，RTD本身必須由主機控制器通過軟件進行線性化，參見電路筆記CN-0383。


熱電偶測量

如圖3所示，熱電偶連接在AIN+和AIN?端子之間。AIN4引腳為熱電偶提供3.3 V ÷ 2 = 1.65 V的偏置電壓。熱電偶電壓在AIN1和AIN3之間測量，因為熱電偶信號非常小，通常推薦使用32倍或64倍的PGA增益。

冷結補償使用10 kΩ NTC熱敏電阻。基準電壓激勵V_REF從REFOUT獲得，并且串聯一個精密低漂移5.62 k?電阻接地。NTC電阻值可以通過下式計算：



其中:
V_NTC為AIN1和AIN3之間測得的電壓。
V_REF為AD7124-4REFOUT提供的基準電壓。

端子板與NTC溫度傳感器之間的溫度差會直接影響熱電偶輸入的溫度讀數。因此，NTC熱敏電阻必須盡可能靠近端子板放置，使熱耦合最大。

為實現所需精度，熱電偶和NTC必須由主機控制器通過軟件進行線性化，參見電路筆記CN-0384。


診斷

提供多種系統級診斷功能，包括：

• 基準電壓檢測
• 輸入過壓/欠壓檢測
• SPI通信的CRC
• 存儲器映射的CRC
• SPI讀/寫檢查

這些診斷功能對輸入通道中可能發生的故障實現了高水平覆蓋。


隔離

數據通道利用四通道微功耗隔離器ADuM1441隔離，能效很高。ADuM1441采用5 mm × 6.2 mm、16引腳小型QSOP封裝(30 mm²)。

ADuM5010是一款完整的隔離開發轉換器，利用isoPower技術為電路提供電源隔離。ADuM5010采用7.4 mm × 7.5 mm、20引腳小型SSOP封裝(56.25 mm²)。

圖4所示為ADuM5010電路詳情。電源副邊使用鐵氧體磁珠來抑制潛在的電磁干擾(EMI)輻射。鐵氧體磁珠(Murata BLM18HK102SN1)專門針對100 MHz至1 GHz的高阻抗而選擇。還使用了10 μ?F和0.1 ? μF去耦電容。鐵氧體磁珠和電容均通過短走線連接到ADuM5010引腳，以使寄生電感和電阻最小。

圖4. 帶鐵氧體磁珠和去耦電容的isoPower電路

拼接電容已維持最小面積，因為鐵氧體磁珠已大幅降低輻射。ADuM5010電源、GND引腳和鐵氧體磁珠之間的PCB區域應消除任何接地層或走線，以盡量減少高頻噪聲容性耦合到接地層。有關控制isoPower器件輻射的更多信息，參見 AN-0971應用筆記。

根據ADuM5010數據手冊選擇R1和R2反饋電阻以選用3.3 V輸出。


每通道功耗

ADuM5010由控制器側電源供電，典型功耗為3.3 mA。ADuM5010滿載時的效率僅為27%，因此，盡量減少現場側的電流消耗會對通道的能效產生重大影響。

AD7124-4功耗約為994 μA(全功率模式、增益= 32、TC偏置、診斷和內部基準電壓源使能)。利用中功率或低功耗模式可以顯著降低AD7124-4的功耗。

對于ADuM1441，空閑時現場側總功耗約為7.2 μ A，以2 Mbp工作時為552 μA。如果接口在1/8的時間里有效，則ADuM1441的總功耗為(552 μA × 0.125) + (7.2 μ A ×0.875) = 75.3 μA。

當以全功率模式工作、增益為32、內部基準電壓源和TC偏置使能時，一個輸入通道的實測功耗為7.9 mA(來自控制器側3.3 V電源)。


電源電路

評估板由4.5 V至36 V直流電源供電，利用板上開關穩壓器向系統提供3.3 V電源，如圖5所示。 EVAL-SDP-CB1Z 系統演示平臺(SDP)板為數字接口提供經調節的3.3 V電壓。

ADP2441包括可編程軟啟動、調節輸出電壓、開關頻率和電源良好指示等特性。這些特性通過外部小型電阻和電容編程。ADP2441還包括多種保護特性，如帶遲滯的欠壓閉鎖(UVLO)、輸出短路保護和熱關斷等。

300 kHz開關頻率可使ADP2441的效率最高。由于ADP2441的開關頻率非常高，建議使用低磁芯損耗、低EMI的屏蔽鐵氧體磁芯電感。

在圖5所示電路中，開關頻率通過294 k Ω外部電阻設置為約300 kHz。22μH電感值 (Coilcraft LPS6235-223MLC) 是利用可下載的ADP2441降壓調節器設計工具選擇的。此工具可根據所需的工作條件(4.5 V至36 V輸入、3.3 V輸出、1 A輸出電流)選擇最佳的元件值。選擇1 A電流是為了給主機控制器側的其它電路供電(若需要)。

有關EVAL-CN0376-SDPZ 電路評估板的完整文檔，包括原理圖、裝配圖、布局文件、Gerber文件和物料清單，請參閱 www.analog.com/CN0376-DesignSupport.


測試結果

關于熱電偶、3線和4線RTD電路的詳細性能分析，參見電路筆記CN-0381、電路筆記CN-0383和電路筆記CN-0384，其中給出了深入分析和測量結果。

圖6給出了EVAL-CN0376-SDPZ的直方圖，采用25 SPS后置濾波器，AIN+短接AIN?，增益為32，TC偏置使能。 數據對應于17.85位無噪聲分辨率。