AD42116位串行输入4~20mA电流环路输出数模转换器原理

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1、AD42116位串行输入4～20mA电流环路输出数模转换器的原理及其应用北京航空航天大学1-12#(100083)郭吉祥郭荣祥四川英世模拟器件有限公司(610041)吴星明摘要：AD421是美国ADI公司最近推出的一种新器件，它以串行方式输入16位数字信号，经数模转换后以4～20mA电流形式输出。它非常适用于智能变送器的设计，在主控设备与智能变送器之间可同时实现4～20mA模拟通信和在HART协议下的数字信号通信。关键词：4～20mA电流环路输出数模转换器HART协议智能变送器ΣΔDAC1概述AD421是美国ADI

2、公司最近推出的一种单片高性能数模转换器(DAC)。它由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入，4～20mA电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制。AD421内部含有电压调整器可提供+5V，+33V或+3V输出电压，还含有+125V，+25V基准电源，均可为其自身或其它电路选用。AD421采用ΣΔDAC结构，保证16位的分辩率和单调性，其积分线性误差为±0001%，失调误差为±01%，增益误差为±02%。AD421与标准HART电路或其它类似FSK协议的电路完全兼容。标准的三线串行接口可在10Mbp

3、s下运行，便于与通用微处理器或微控制器相连。图1AD421引脚图AD421采用16引脚DIP，TSSOP和SOIC三种封装形式，工作温度为-40～+85℃，其引脚排列见图1。2工作原理AD421主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成，其功能框图如图2所示。电压调整器由一个运放、带隙基准和外接耗尽型FET调整管构成(见图3)。电压调整器从电流环路中获取电流，并给AD421及其它器件提供电流。LV端连接的改变使放大器增益改变，从而改变Vcc脚的电压。当LV接COM时，Vcc为5V；当LV接Vcc时，Vcc为3V；当

4、LV通过001μF电容器接到Vcc时，Vcc为33V(见图3)。数模转换器在时钟CLOCK作用下，输入移位寄图2AD421功能框图图3电压调整原理存器把DATA引脚上的数据逐位读入，LATCH锁存脉冲把寄存器中的数据锁存到DAC中。若在两个锁存脉冲间隔输入16个CLOCK时钟周期，就锁存16位数字信号并完成正常的电流转换。若多于16个时钟周期，只锁存最后输入的17位数据并输出报警电流信号。16位ΣΔDAC经过调制解调器输出的一串位流控制切换的电流源，然后经阻容滤波器，送给电流放大器进行精密放大，从而保证输入数字

5、量与对应电流的单调性。图2中的BOOST脚和Vcc相连，当输入0到满量程时，LOOPRTN脚输出相应的4～20mA电流。3应用电路31AD421基本连接电路图4AD421基本连接电路在图4中，AD421电压调整器与DN25D调整管一起，给AD421及发送器其它器件供电，Vcc脚接10μF去耦电容，保证调整器输出稳定，并吸收AD421及其它器件产生的尖脉冲。为了稳定电压调整器中的运放与外部调整管形成的反馈回路，不仅在COMP与DRIVE之间接001μF电容，还要在DRIVE与COM之间接1kΩ电阻和1000pF电容

6、。AD421内部25V基准源REFOUT2脚直接用作REF脚NI输入基准电压，外接一个47μF去耦电容。片内DAC后接时序滤波器，需外接三个低介质吸收的电容，一般C1=C2=001μF，C3=00033μF。AD421数字接口有三根线，直接与通用微处理器相接，DATA数据在CLOCK时钟上升沿装入，输入移位寄存器，在LATCH锁存控制上升沿装入DAC锁存器。为减少外接DN25D场效应管的功率负载，可在DN25D基础上再接一个NPN型晶体管(如BC639／BC337)构成复合管。FET管给Vcc供电，并且NPN

7、双极型晶体管承担BOOST电流(这可样提高Vcc到DRIVE反馈控制FET回路的稳定性)，环路电流等于流入BOOST和COM电流之和。32智能变送器AD421主要是用在4～20mA智能变送器上。图5是智能变送器典型功能图，其中微处理器可作线性化处理和通信，其中变送器不具有数字通信功能。模数转换器用高分辨率ΣΔADC(如AD7714或AD7715)，这种ADC内部含有一个可编程增益放大器(增益范围是1～128)，将10mV模拟信号直接接到ADC输入端。AD7714/AD7715具有数字校准技术，可用来消除增益误差和

8、失调误差。另外，本底校准技术可消除时间漂移和温度漂移。正常情况下，微控制器从AD7714／AD7715读数据，处理后从微控制器串行口传送到AD421转换成4～20mA电流，由电流环路送给控制中心。图5典型智能变送器框图33带HART接口的智能变送器根据Bell202通信标准，HART协议使用频移键控(FSK)技术，可在电话线上传送数字信号。这