圖1所示電路將AD5755-1 （四通道電壓和電流輸出DAC，帶動態功率控制）和 AD5700-1 HART調制解調器結合了起來，結果打造出一種完全隔離式多路復用HART?1模擬輸出解決方案。電源既可由板載變壓器隔離電路提供（±13 V和+5.2 V輸出，依負載電流而定），也可由連接到端子板的外部電源提供。該電路適合可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統（DCS）模塊，這些模塊要求多個HART兼容型4 mA至20 mA電流輸出及單極性或雙極性電壓輸出。同時還包括外部瞬變保護電路，這對惡劣工業環境中的應用極其重要。

AD5755-1 DAC可通過軟件配置，允許用戶輕松編程輸出范圍及用于動態電源控制所需要的DC-DC轉換器設置。通過該DAC可以訪問所有內部控制寄存器，包括壓擺率控制寄存器，該寄存器對采用HART通信協議的應用至關重要。

AD5700-1是業內功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調制解調器。它充當一款HART頻移鍵控（FSK）半雙工調制解調器，集成所有必要的信號檢測、調制、解調和信號發生功能。內置一個精度為0.5%的內部振蕩器，從而降低了電路板空間要求和成本。AD5700-1采用標準的UART接口。

數字隔離以基于ADI公司iCoupler?技術的四通道和雙通道ADuM3481/ADuM3210 數字隔離器元件實現。iCoupler技術的使用降低了基于光隔離器的解決方案通中額外外部元件的需求。外部變壓器用于將功率傳輸到隔離柵的另一端。

ADG759 在四個模擬輸出通道上提供了多路復用功能，由此可實現HART通信。它根據2位二進制地址線A0和A1所確定的地址，將4路差分輸入之一切換至公共差分輸出。禁用時，所有通道均關斷。提供旁路鏈路，以便能靈活地繞開多路復用器。

1、 HART是HART通信基金會的注冊商標。

圖1.CN0328頂層框圖

圖2.集成變壓器隔離電源解決方案的4通道多路復用HART模擬輸出電路（簡化原理圖：未顯示所有連接和去耦）

電路描述

對于工業控制模塊，標準模擬輸出電壓和電流范圍包括±5 V、±10 V、0 V至+5 V、0 V至+10 V、+4 mA至+20 mA和0 mA至+20 mA。電壓輸出范圍還提供20%的超范圍特性。AD5755-1支持所有這些范圍，是一種高精度、全集成、低成本的單芯片解決方案。每個DAC通道都有一個增益（M）寄存器和一個失調（C）寄存器，用于消除整個信號鏈的增益和失調誤差。

電流輸出和電壓輸出通過獨立引腳提供，任何時候僅一個輸出處于有效狀態，因而允許將兩個輸出引腳連在一起并接到單個引腳上。當使能電流輸出時，電壓輸出處于三態模式；當使能電壓輸出時，電流輸出為三態模式。模擬輸出受短路和開路保護。

AD5755-1支持內部或外部精密電流設置電阻用于電壓-電流轉換電路，如圖3所示。輸出電流值在全溫度范圍內的穩定性取決于RSET值的穩定性。作為提高輸出電流在整個溫度范圍內的穩定性的一種方法，可將一個外部15 kΩ低漂移電阻連接到AD5755-1的RSET_X引腳，以取代內部電阻。外部電阻通過DAC控制寄存器進行選擇。高精度測量通過兩種選項進行評估，詳見“電路評估與測試”部分。

圖3.電壓-電流轉換電路

精密基準電壓源的選擇

AD5755-1有一個片內10 ppm/°C（最大值）基準電壓源。為了提高在整個溫度范圍內的性能，該設計采用一個 ADR02 基準電壓源，其最大漂移為3 ppm/°C（B級，SOIC封裝）。基準輸入端的電壓用于為DAC內核提供經緩沖的基準電壓。因此，任何基準電壓誤差都會反應到的輸出端。

ADR02是一款5 V精密基準電壓源，允許高達36 V的輸入電壓。其最大精度誤差為0.06%，最大溫度漂移為3 ppm/°C（B級，SOIC封裝）。該漂移在工業溫度范圍內會貢獻大約0.02%誤差。其長期漂移為50 ppm（典型值），0.1 Hz至10 Hz噪聲指標為10 μV p-p（典型值）。

動態功率控制

AD5755-1集成基于DC-DC升壓轉換器電路的動態電源控制功能，在電流輸出模式下可降低功耗。多數PLC電流輸出電路都采用一個固定電壓源，以滿足整個負載電阻值范圍內的順從輸出電壓要求。例如，在驅動20 mA時，一個負載為750 Ω的4 mA至20 mA環路就要求順從電壓不低于15 V。但在將20 mA驅動至50 Ω負載時，則只需要1 V的順從電壓。如果在驅動50 Ω負載時，15 V的順從電壓保持不變，則會浪費20 mA × 14 V = 280 mW的功率。

AD5755-1電路通過檢測輸出電壓，調節順從電壓，不論負載電阻有多大，只允許少量的裕量電壓，由此消除了這種功率損失。AD5755-1最多可以將24 mA驅動至1 kΩ的負載。

DC-DC轉換器工作原理

AD5755-1內置4個獨立的DC-DC轉換器，用于為各個通道的VBOOST_X電源電壓提供動態控制（參見圖3）。圖4所示為DC-DC電路所需要的分立元件

圖4. DC-DC電路

建議在 CDCDC 之后放置一個10 Ω、100 nF低通RC濾波器。雖然該器件會消耗少量電能，但會減少 VBOOST_X 電源上的紋波。

DC-DC轉換器采用一種恒頻、峰值電流模式控制方案，以將4.5 V至5.5 V的 AVCC 輸入升壓，從而驅動AD5755-1輸出通道。這些器件設計用于工作在斷續導通模式（DCM），占空比小于90%（典型值）。

啟用通道電流輸出時，轉換器將 VBOOST_X 電源調節至7.4 V （±5%） 或 （IOUT_X × RLOAD +裕量）（取較大值）。在電流輸出模式下，若輸出被禁用，轉換器將把 VBOOST_X 電源調節至7.4 V （±5%）。在電壓輸出模式下，若輸出被禁用，轉換器將把 VBOOST_X 電源調節至+15 V （±5%）。有關DC-DC轉換器工作情況的詳情，請參見AD5755-1數據手冊。

HART耦合

AD5755-1有四個CHART引腳，分別對應于四個輸出通道。HART信號可以耦合至這些引腳，并出現在對應的電流輸出端（如果該輸出已使能）。表1給出了CHART引腳上的HART信號的推薦輸入電壓。如果使用這些電壓，電流 輸出應符合HART幅度要求。圖5所示為將HART信號衰減和耦合至AD5755-1HART輸入的推薦電路。

表1. CHART輸入電壓和HART輸出電流RSETCHART 輸入電壓電流輸出（HART）

內部 RSET150 mV p-p1 mA p-p

外部 RSET170 mV p-p1 mA p-p

圖5.耦合HART信號

為了確保1.2 kHz和2.2 kHz HART頻率不會在輸出端大幅衰減，C1 + C2必須達到某一最小值。推薦值為：C1 = 22 nF，C2 = 47 nF。為了達到HART的模擬變化速率要求，必須以數字方式控制輸出的壓擺率。

數字壓擺率控制

AD5755-1的壓擺率控制特性允許用戶控制輸出值的變化速率。該特性在電流和電壓輸出通道上均可用。通過禁用壓擺率控制特性，輸出值以受輸出驅動電路和所連負載限制的速率變化。通過壓擺率控制寄存器的SREN位使能壓擺率特性后，輸出以壓擺率控制寄存器可以訪問的SR_CLOCK和SR_STEP兩個參數所定義的速率，在兩個電平值之間擺動。

在以下等式中，壓擺率為步長、更新時鐘頻率和LSB大小的函數。

其中：Slew Time用秒表示。

Output Change 表示為A（針對 IOUT_X）或 V（針對VOUT_X）。

詳見AD5755-1數據手冊。

瞬態電壓保護

AD5755-1內置ESD保護二極管，可防止器件在一般工作條件下受損。但是，工業控制環境可能會使I/O電路遭受高得多的電壓瞬變。為了防止AD5755-1受到過高的電壓瞬變，需要把一個24 V瞬變電壓抑制器（TVS）置于 IOUT/VOUT 連接上，如圖6所示。為提供進一步保護，IOUT_X/VOUT_X 引腳與 VBOOST_x 和 AVSS 電源引腳之間連接有鉗位二極管。另外還使用一個5 kΩ限流電阻，它與+VSENSE_X 輸入端串聯，用以將瞬變事件期間的電流限制在合理范圍內。這種情況下，輸入端具有更高的瞬態電壓保護功能，因此即使是在要求最苛刻的工業環境中，也無需額外的保護電路。AD5700 HART調制解調器建議采用包含150 kΩ電阻的外部帶通濾波器，這樣可以將電流限制在足夠低的水平，以滿足內在安全要求。

圖6.輸出瞬變電壓保護

輸入電源保護

通過一個2線或3線接口，把一個24 V DC穩壓電流連接到電路板。該電源必須采取故障和電磁干擾（EMI）保護措施，如圖7所示。

圖7.輸入電源瞬變電壓保護

VR1、VR2、VR3和VR4為壓敏電阻，F1為正溫度系數電阻。該電路確保評估系統能夠承受電源端口可能產生的任何干擾。詳見PLC評估板簡化工業過程控制系統的設計，《模擬對話》43-04，2009年4月。

24 V輸入電源驅動 ADP1621 PWM升壓控制器。該控制器驅動3抽頭變壓器，后者提供隔離功能并產生AVDD （+15 V）、AVSS （?15 V）和AVCC （+5 V）。通過PS2801-1光耦合器提供反饋。

ADP1621電源輸入電壓范圍為2.9 V至5.5 V，在使用小信號NPN調整管或單個電阻時，也可支持更高的輸入電壓。開關頻率由外部電阻設置，范圍為100 kHz至1.5 MHz。

各種負載條件下的AVDD、AVS S和AVCC供電軌電壓如表2所示。

表2.變壓器隔離式供電軌電壓設置AVDD （V）AVSS （V）AVCC （V）

電源電路無負載（移除LK2至LK5）+14.7-15.3+5.2

插入LK2至LK5；AD5755-1輸出禁用+12.5-12.6+5.2

插入LK2至LK5；AD5755-1為IOUT 模式；4個通道上的電流為4 mA（500 Ω負載）+12.7-12.8+5.2

插入LK2至LK5；AD5755-1為IOUT 模式；4個通道上的電流為24 mA（1 kΩ負載）+14-15.2+5.2

插入LK2至LK5；AD5755-1 為VOUT 模式；4個通道上的電壓為10 V（1.2 kΩ負載）+13-13+5.2

如果不使用隔離式開關電源電路，J5和J11端子板提供了一種替代方案。如果使用這些端子板，則要移除LK2至LK4。

數字隔離

ADuM3481 和 ADuM3482 為3.75 kV四通道數字隔離器，采用小型20引腳SSOP封裝（7.2 mm × 7.8 mm）。隔離器內核工作電壓范圍為3.0 V至5.5 V，而I/O電源范圍為1.8 V至5.5 V。這些器件可用于直接與1.8 V邏輯器件接口。該設計中的ADuM3481用于為AD5755-1隔離SPI信號，而ADuM3482則用于為AD5700-1HART調制解調器隔離UART信號。雙通道ADuM3210用于隔離ADG759 四通道多路復用器的地址線。

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