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摘要:AD421是美国ADI公司的器件,它以串行方式输入16位数字信号,经数模转换后以4 mA～20 mA电流形式输出。本文首先介绍了AD421内部结构及工作原理,最后具体介绍了一种基于AD421的4 mA～20 mA的电流环的输出的实现方法。
关键词:AD421;4 mA～20 mA电流环路输出数模转换器;Σ ΔDAC
中图分类号:TM422 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)09-0009-03
1概述
AD421是一款完全的、回路供电的、数字量输入、4mA～20mA模拟量输出的转换器。可提供高精度的、完全集成的、低成本的紧凑的16引脚封装。它内部包含可选的电压调节器,可为自身及外围电路提供+5V、+3.3V、+3V电压。该元件还包含两个基准电压:+1.25V、+2.5V。因而省去了分立的电压调节器和参考电压。唯一需要外接的是一些无源元件和跨接到电压环路的传输管。内部DAC模块采用Σ-Δ结构,保证了16位的单调性,积分非线性误差为±0.01 %。4 mA输出电流下的误差范围为±0.01 %,20 mA电流输出的增益误差为±0.02 %。AD421采用16引脚DIP,SOIC封装形式,工作温度为-40 ℃～+85 ℃。
2管脚功能说明
AD421引脚排列见图1。
(1)REF OUT1:参考电压输出(+1.25V输出口)。
(2)REF OUT2:参考电压输出(+2.5V输出口)。
(3)REF IN:AD421的参考电压由此引脚输入。
(4)LV:电压调节控制输入端。
(5)LATCH:锁存脉冲输入引脚,DAC锁存输入端。逻辑输入。
(6)CLOCK:数据时钟输入。
(7)DATA:数据输入引脚。
(8)LOOPRTN:循环电流输出。
(9)COM:公共端。是AD421模拟和数字输入/输出的参考电位以及电压调节输出端。
(10)(11)(12):C3,C2,C1滤波电容。
(13)DRIVE:调整电压输出引脚。
(14)COMP:电容补偿输入引脚。
(15)BOOST:电流输入引脚。
(16)VCC:工作电源引脚。
3基本结构和工作原理
AD421主要由3个基本功能块组成:DAC模块(将微控制器或微处理器的数字量转换成模拟量)、电流放大器(设置电流在环路中流动)、电压调节器(提供稳定的工作电压)。AD421还包括一个高速串行接口、两个参考缓冲输出信号、一个时钟震荡电路,见图2。
图2AD421内部结构框图
3.1电压调节器
电压调节器包括一个运算放大器、带隙参考和一个耗尽型FET晶体管组成。该电路通过调节环路电压向AD421自身及变送器其他电路供电。
图3是AD421的电压调节器部分及相关外围电路图,其中VCC接3.3 V。
图3电压调节器及外围电路图
LV引脚上的信号通过改变VCC和运放的反向输入端之间的电阻分流器来选择电压。当LV在COM和VCC之间变化时,调节器上的电压从3 V到5 V之间改变。当LV连接到COM端,额定电压为5 V;当LV通过一个0.01 μF电容连接到VCC,电压为3.3 V;当LV连接到VCC,电压为3.3 V～5 V的电压是通过FET的击穿电压和饱和电压决定的。我们需要对FET的参数进行慎重的选择,从而当VCC和COM之间的电路改变时,可以由运放输出到DRIVE引脚的信号来控制FET工作点,主要的FET的参数如下表:其中VCC是工作电压,VLOOP是环路电压。
表1FET 主要特性
FET 类型 N-Channel 耗尽型
IDSS 最小24 mA
BVDS 最小为(VLOOP – VCC)
VPINCHOFF 最大VCC
Power Dissipation 最小24 mA ×(VLOOP – VCC)
DN25D是理想的选择,它完全符合上述指标,其他合适的晶体管如ND2020L、ND2410L等可作为替代产品。这三款都是supertex公司的。本设计中采用的是ETC公司的BSS129。
为了确保稳定工作需要大量的外围器件。VCC和COM之间的电容可使电压调节器环路稳定。在COMP和DRIVE之间连接一个0.01 μF的电容可以对调节器环路提供附加的补偿。在DRIVE和COM之间加一个1 kΩ电阻和一个1 000 pF电容,可使由运放和FET形成的反馈回路变得稳定。
3.2DAC
AD421包括一个16位的Σ-ΔDAC,它可以将输入寄存器中的数字信息转换成电流。这种结构特别适合于工业控制环境中带宽相对低的需求。Σ-ΔDAC由一个跟随在时序滤波器后的调节器组成,每个位流控制着一个开关电流源。通过3个电阻-电容滤波部分将这个电流源滤波,其中电阻已经集成在芯片中。而电容需要在C1～C3引脚上外接,电容为介电吸收电容。其中:C1=C2=0.01 μf,C3=0.0033 μf。
3.3电流放大器
DAC输出的电流驱动第二部分,电流放大器有一个运算放大器和NPN型晶体管组成。电流放大器将电流流过LOOPRTN引脚。
在DAC输出和环路返回之间接一个80 kΩ的电阻,作为采样电阻,NPN晶体管的基极驱动伺服40 Ω电阻上的电压等于80 kΩ电阻上的电压。
BOOST引脚一般连接到VCC引脚上,当DAC输入代码从全0到全1时,NPN上的输出电流和总环路电流从4 mA～20 mA变化。
3.4数字接口
AD421的数字接口只包括3根线:DATA、CLOCK、LATCH。该接口直接连接到微控制器通常使用的串口上,而不需要任何外部的粘连逻辑。在CLOCK的上升沿数据从最高有效位开始被装入输入移位寄存器中,并且在LATCH信号的上升沿传送到DAC寄存器中。串口的时序图,见图4。
图4串行接口时序图
准备装入AD421输入移位寄存器的数据有两种方式:通常的4 mA～20 mA数据和报警电流数据。AD421通过LATCH信号间的CLOCK脉冲的数量来决定是工作在哪一种方式。如果在两个连续的LATCH信号间有16个时钟上升沿,那么装入移位寄存器的数据就认为是通常的4 mA～20 mA数据,在LATCH信号的上升沿,输入移位寄存器的数据以16位并行方式传送到DAC寄存器。在这种情况下,DAC寄存器中的数据若为全0编程为4 mA电流输出,若为全1则为20 mA电流输出(见图5)。传送数据时必须最高有效位在前。
图54 mA～20 mA电流方式下所对应的理想输入/输出代码表
如果在两个连续的LATCH脉冲之间有多于16个CLOCK脉冲,那么装入移位寄存器的数据就认为是报警电流数据。在这种情况下,AD421接收17位数据到移位寄存器中。在多于17个时钟的串口写操作(例如,一个微控制器的串口的3X8位传送器的24个时钟周期)的情况下,AD421仅仅只接收最后17位写操作。这个串行写操作是最低有效位在最后的方式(即:在LATCH脉冲之前的第17个CLOCK的上升沿装入最高有效位)。在LATCH的上升沿,输入移位寄存器的数据以17位并行传送方式传送到DAC锁存器。在这种情况下,DAC寄存器中的数据若为全0编程为0 mA电流输出,若为全1则为32 mA电流输出(见图6)。
图6报警电流方式下所对应的理想输入/输出代码表
然而,实际上AD421并不能稳定的产生小于3.5 mA或大于24 mA的电流。
3.5参考部分
AD421包含一个片上的1.21 V带隙参考,它是电压调节器环路的一部分,带隙参考也可用来产生RFEOUT1和REFOUT2上的参考电压,见图7。REFOUT1引脚的参考电压是+1.25 V,可提供0.5 mA的外部电流;REFOUT2引脚的参考电压是+2.5 V,也可提供0.5 mA的外部电流。若要使用AD421自身的参考电压,只要把REFOUT2引脚和REFIN引脚连起来就可以了,如果在REFIN和COM之间接外部参考电压,则这部分就可以使用外部参考电压。
在应用系统电路中,REFOUT1和REFOUT2需要接上4.7 μF电容来为参考电压提供补偿和确保稳定的工作,如果内部参考不需要时,这些电容可以省略。
4AD421的使用
AD421可以编程为4 mA～20 mA工作方式和报警电流
工作方式,前者为16位标准二进制,代表4 mA～20 mA电流,后者还是采用标准二进制,但是是17位的分辨率来表示0 mA～32 mA的电流,尽管小于3.5 mA和大于24 mA的电流是不可编程实现的,如果在两个连续的LATCH脉冲间有16个CLOCK信号,则AD421工作于4 mA～20 mA工作方式,不然,则为报警电流工作方式。
4.14 mA～20 mA的编码
假设REFIN的电压为+2.5 V,那么:
1 LSB=(20 mA-4 mA)/216=244 nA。
图7为此方式下的波形图。
图74 mA~20 mA工作方式下写周期图
对于图7所示的编码,所对应的输出电流为:
(1001001001110011)2=(37 491)10
37 491×244 nA=9.148 mA
4.2报警电流方式下编码
在此方式下,由于小于3.5 mA和大于24 mA的编码输出的电流值是不确定值,所以请用户严格按照表中的编码范围给出编程代码。
图8为此方式下的时序图。图中的3个信号来自8位微控制器的3根信号线,且表示的是输出14.991 mA电流的情况。
图8报警电流工作方式下的写周期图
假设REFIN的电压为+2.5V,1 LSB=(32 mA-0 mA)/217 =244 nA。
输出电流为:(01111000000000000)2=(61 440)10
61 440×244 nA=14.991 mA
5具体用法
在我们的设计中的用法见图9。
图9具体应用电路图
在图9中,AD421电压调整器与BSS129调整管一起,给AD421及发送器其它器件供电,Vcc脚接4.7 μF去耦电容,保证调整器输出稳定,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0.01 μF电容,还要在DRIVE与COM之间接1 kΩ电阻和1 000 pF电容。AD421内部2.5 V基准源REF OUT2脚直接用作REFIN输入基准电压,外接一个4.7 μF去耦电容。片内DAC后接时序滤波器,需外接3个低介质吸收的电容,C5=C4=0.01μF,C6=0.0033μF。
参考文献
1 Analog Devices, Inc., Loop Powered 4～20mA DAC, Data sheet, http//www.analog.com 2000
2 毛德平、凌有铸、方俊初.高精度D/A转换器AD421在流量监测中的应用.现代电子技术,2007(4):188
3 杨金岩、武翠翠、张向东.4 mA～20 mA电流变送器AD421及其应用.现代电子技术,2007(4):145
An actual application of 4mA to 20mA loop-powered
Chen Qunying
Abstract: The AD421 is a divice of ADI company of American, it convert the serial mode input 16 bits digital signal to 4ma to 20ma current output. The article introduce the internal structure and operational principle of AD421 at first, then specific introduce a kind of realization method of 4ma to 20ma loop-powered output based on AD421.
Key words: AD421; 4ma to 20ma loop-powered output D/A convertor; Σ-ΔDAC
关键词:AD421;4 mA～20 mA电流环路输出数模转换器;Σ ΔDAC
中图分类号:TM422 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)09-0009-03
1概述
AD421是一款完全的、回路供电的、数字量输入、4mA～20mA模拟量输出的转换器。可提供高精度的、完全集成的、低成本的紧凑的16引脚封装。它内部包含可选的电压调节器,可为自身及外围电路提供+5V、+3.3V、+3V电压。该元件还包含两个基准电压:+1.25V、+2.5V。因而省去了分立的电压调节器和参考电压。唯一需要外接的是一些无源元件和跨接到电压环路的传输管。内部DAC模块采用Σ-Δ结构,保证了16位的单调性,积分非线性误差为±0.01 %。4 mA输出电流下的误差范围为±0.01 %,20 mA电流输出的增益误差为±0.02 %。AD421采用16引脚DIP,SOIC封装形式,工作温度为-40 ℃～+85 ℃。
2管脚功能说明
AD421引脚排列见图1。
(1)REF OUT1:参考电压输出(+1.25V输出口)。
(2)REF OUT2:参考电压输出(+2.5V输出口)。
(3)REF IN:AD421的参考电压由此引脚输入。
(4)LV:电压调节控制输入端。
(5)LATCH:锁存脉冲输入引脚,DAC锁存输入端。逻辑输入。
(6)CLOCK:数据时钟输入。
(7)DATA:数据输入引脚。
(8)LOOPRTN:循环电流输出。
(9)COM:公共端。是AD421模拟和数字输入/输出的参考电位以及电压调节输出端。
(10)(11)(12):C3,C2,C1滤波电容。
(13)DRIVE:调整电压输出引脚。
(14)COMP:电容补偿输入引脚。
(15)BOOST:电流输入引脚。
(16)VCC:工作电源引脚。
3基本结构和工作原理
AD421主要由3个基本功能块组成:DAC模块(将微控制器或微处理器的数字量转换成模拟量)、电流放大器(设置电流在环路中流动)、电压调节器(提供稳定的工作电压)。AD421还包括一个高速串行接口、两个参考缓冲输出信号、一个时钟震荡电路,见图2。
图2AD421内部结构框图
3.1电压调节器
电压调节器包括一个运算放大器、带隙参考和一个耗尽型FET晶体管组成。该电路通过调节环路电压向AD421自身及变送器其他电路供电。
图3是AD421的电压调节器部分及相关外围电路图,其中VCC接3.3 V。
图3电压调节器及外围电路图
LV引脚上的信号通过改变VCC和运放的反向输入端之间的电阻分流器来选择电压。当LV在COM和VCC之间变化时,调节器上的电压从3 V到5 V之间改变。当LV连接到COM端,额定电压为5 V;当LV通过一个0.01 μF电容连接到VCC,电压为3.3 V;当LV连接到VCC,电压为3.3 V～5 V的电压是通过FET的击穿电压和饱和电压决定的。我们需要对FET的参数进行慎重的选择,从而当VCC和COM之间的电路改变时,可以由运放输出到DRIVE引脚的信号来控制FET工作点,主要的FET的参数如下表:其中VCC是工作电压,VLOOP是环路电压。
表1FET 主要特性
FET 类型 N-Channel 耗尽型
IDSS 最小24 mA
BVDS 最小为(VLOOP – VCC)
VPINCHOFF 最大VCC
Power Dissipation 最小24 mA ×(VLOOP – VCC)
DN25D是理想的选择,它完全符合上述指标,其他合适的晶体管如ND2020L、ND2410L等可作为替代产品。这三款都是supertex公司的。本设计中采用的是ETC公司的BSS129。
为了确保稳定工作需要大量的外围器件。VCC和COM之间的电容可使电压调节器环路稳定。在COMP和DRIVE之间连接一个0.01 μF的电容可以对调节器环路提供附加的补偿。在DRIVE和COM之间加一个1 kΩ电阻和一个1 000 pF电容,可使由运放和FET形成的反馈回路变得稳定。
3.2DAC
AD421包括一个16位的Σ-ΔDAC,它可以将输入寄存器中的数字信息转换成电流。这种结构特别适合于工业控制环境中带宽相对低的需求。Σ-ΔDAC由一个跟随在时序滤波器后的调节器组成,每个位流控制着一个开关电流源。通过3个电阻-电容滤波部分将这个电流源滤波,其中电阻已经集成在芯片中。而电容需要在C1～C3引脚上外接,电容为介电吸收电容。其中:C1=C2=0.01 μf,C3=0.0033 μf。
3.3电流放大器
DAC输出的电流驱动第二部分,电流放大器有一个运算放大器和NPN型晶体管组成。电流放大器将电流流过LOOPRTN引脚。
在DAC输出和环路返回之间接一个80 kΩ的电阻,作为采样电阻,NPN晶体管的基极驱动伺服40 Ω电阻上的电压等于80 kΩ电阻上的电压。
BOOST引脚一般连接到VCC引脚上,当DAC输入代码从全0到全1时,NPN上的输出电流和总环路电流从4 mA～20 mA变化。
3.4数字接口
AD421的数字接口只包括3根线:DATA、CLOCK、LATCH。该接口直接连接到微控制器通常使用的串口上,而不需要任何外部的粘连逻辑。在CLOCK的上升沿数据从最高有效位开始被装入输入移位寄存器中,并且在LATCH信号的上升沿传送到DAC寄存器中。串口的时序图,见图4。
图4串行接口时序图
准备装入AD421输入移位寄存器的数据有两种方式:通常的4 mA～20 mA数据和报警电流数据。AD421通过LATCH信号间的CLOCK脉冲的数量来决定是工作在哪一种方式。如果在两个连续的LATCH信号间有16个时钟上升沿,那么装入移位寄存器的数据就认为是通常的4 mA～20 mA数据,在LATCH信号的上升沿,输入移位寄存器的数据以16位并行方式传送到DAC寄存器。在这种情况下,DAC寄存器中的数据若为全0编程为4 mA电流输出,若为全1则为20 mA电流输出(见图5)。传送数据时必须最高有效位在前。
图54 mA～20 mA电流方式下所对应的理想输入/输出代码表
如果在两个连续的LATCH脉冲之间有多于16个CLOCK脉冲,那么装入移位寄存器的数据就认为是报警电流数据。在这种情况下,AD421接收17位数据到移位寄存器中。在多于17个时钟的串口写操作(例如,一个微控制器的串口的3X8位传送器的24个时钟周期)的情况下,AD421仅仅只接收最后17位写操作。这个串行写操作是最低有效位在最后的方式(即:在LATCH脉冲之前的第17个CLOCK的上升沿装入最高有效位)。在LATCH的上升沿,输入移位寄存器的数据以17位并行传送方式传送到DAC锁存器。在这种情况下,DAC寄存器中的数据若为全0编程为0 mA电流输出,若为全1则为32 mA电流输出(见图6)。
图6报警电流方式下所对应的理想输入/输出代码表
然而,实际上AD421并不能稳定的产生小于3.5 mA或大于24 mA的电流。
3.5参考部分
AD421包含一个片上的1.21 V带隙参考,它是电压调节器环路的一部分,带隙参考也可用来产生RFEOUT1和REFOUT2上的参考电压,见图7。REFOUT1引脚的参考电压是+1.25 V,可提供0.5 mA的外部电流;REFOUT2引脚的参考电压是+2.5 V,也可提供0.5 mA的外部电流。若要使用AD421自身的参考电压,只要把REFOUT2引脚和REFIN引脚连起来就可以了,如果在REFIN和COM之间接外部参考电压,则这部分就可以使用外部参考电压。
在应用系统电路中,REFOUT1和REFOUT2需要接上4.7 μF电容来为参考电压提供补偿和确保稳定的工作,如果内部参考不需要时,这些电容可以省略。
4AD421的使用
AD421可以编程为4 mA～20 mA工作方式和报警电流
工作方式,前者为16位标准二进制,代表4 mA～20 mA电流,后者还是采用标准二进制,但是是17位的分辨率来表示0 mA～32 mA的电流,尽管小于3.5 mA和大于24 mA的电流是不可编程实现的,如果在两个连续的LATCH脉冲间有16个CLOCK信号,则AD421工作于4 mA～20 mA工作方式,不然,则为报警电流工作方式。
4.14 mA～20 mA的编码
假设REFIN的电压为+2.5 V,那么:
1 LSB=(20 mA-4 mA)/216=244 nA。
图7为此方式下的波形图。
图74 mA~20 mA工作方式下写周期图
对于图7所示的编码,所对应的输出电流为:
(1001001001110011)2=(37 491)10
37 491×244 nA=9.148 mA
4.2报警电流方式下编码
在此方式下,由于小于3.5 mA和大于24 mA的编码输出的电流值是不确定值,所以请用户严格按照表中的编码范围给出编程代码。
图8为此方式下的时序图。图中的3个信号来自8位微控制器的3根信号线,且表示的是输出14.991 mA电流的情况。
图8报警电流工作方式下的写周期图
假设REFIN的电压为+2.5V,1 LSB=(32 mA-0 mA)/217 =244 nA。
输出电流为:(01111000000000000)2=(61 440)10
61 440×244 nA=14.991 mA
5具体用法
在我们的设计中的用法见图9。
图9具体应用电路图
在图9中,AD421电压调整器与BSS129调整管一起,给AD421及发送器其它器件供电,Vcc脚接4.7 μF去耦电容,保证调整器输出稳定,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0.01 μF电容,还要在DRIVE与COM之间接1 kΩ电阻和1 000 pF电容。AD421内部2.5 V基准源REF OUT2脚直接用作REFIN输入基准电压,外接一个4.7 μF去耦电容。片内DAC后接时序滤波器,需外接3个低介质吸收的电容,C5=C4=0.01μF,C6=0.0033μF。
参考文献
1 Analog Devices, Inc., Loop Powered 4～20mA DAC, Data sheet, http//www.analog.com 2000
2 毛德平、凌有铸、方俊初.高精度D/A转换器AD421在流量监测中的应用.现代电子技术,2007(4):188
3 杨金岩、武翠翠、张向东.4 mA～20 mA电流变送器AD421及其应用.现代电子技术,2007(4):145
An actual application of 4mA to 20mA loop-powered
Chen Qunying
Abstract: The AD421 is a divice of ADI company of American, it convert the serial mode input 16 bits digital signal to 4ma to 20ma current output. The article introduce the internal structure and operational principle of AD421 at first, then specific introduce a kind of realization method of 4ma to 20ma loop-powered output based on AD421.
Key words: AD421; 4ma to 20ma loop-powered output D/A convertor; Σ-ΔDAC