環路供電型4 mA - 20 mA DAC AD421：工業控制領域的理想之選

在工業控制領域，智能發射器對于數據的準確傳輸和處理至關重要。AD421作為一款完整的環路供電型4 mA - 20 mA數字轉換器，專為滿足智能發射器制造商的需求而設計。今天，我們就來深入了解一下這款器件。

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一、AD421的特性亮點

1. 高性能輸出

AD421的電流輸出范圍為4 mA至20 mA，具有16位分辨率和單調性，積分非線性僅為±0.01%，能夠提供高精度的模擬輸出。其4 mA零電平輸出電流失調誤差為±0.1%，20 mA滿量程輸出電流增益誤差為±0.2%，保證了輸出的準確性。

2. 豐富的功能集成

內置可選穩壓器，可提供+5 V、+3.3 V或+3 V調節輸出電壓，為自身及發射器中的其它器件供電，無需外接獨立的穩壓器。同時，還內置有+1.25 V和+2.5 V精密基準電壓源，為系統中的其它器件提供精密基準電壓。

3. 通信兼容性

AD421完全兼容標準HART電路或其它類似的FSK協議，可結合標準HART FSK協議通信電路使用，且額定性能不受影響。其高速串行接口能夠以10 Mbps速率工作，可通過標準三線式串行接口與常用的微處理器和微控制器簡單相連。

4. 封裝與溫度范圍

提供16引腳SOIC和PDIP封裝，方便不同應用場景的選擇。額定溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C工業溫度范圍，適應惡劣的工業環境。

二、AD421的內部結構與工作原理

1. 穩壓器

由運算放大器、帶隙基準電壓源和外部耗盡型FET調整管組成，用于穩定環路電壓。LV引腳上的信號通過更改電阻分壓器的增益，選擇(V{CC})要穩定的目標電壓值。為保證穩壓器環路穩定，需在(V{CC})引腳與COM引腳之間連接電容，在COMP和DRIVE引腳之間連接補償電容，以及在DRIVE和COM之間連接外部緩沖器電路。

2. DAC部分

內置16位Σ - Δ型DAC，由二階調制器和連續時間濾波器組成。來自調制器的單比特碼流控制開關電流源，經三個電阻電容濾波器部分濾波處理。為滿足指定滿量程建立時間，需使用具有低電介質吸收性能的電容（NPO），如(C1 = C2 = 0.01 μF)，(C3 = 0.0033 μF)。

3. 電流放大器

DAC輸出電流驅動運算放大器和NPN晶體管組成的電流放大器，設定從LOOP RTN引腳流出的電流。DAC輸出和環路回流之間的80 kΩ電阻用作采樣電阻，NPN晶體管的基極驅動電路伺服于通過40 Ω電阻的電壓，使其等于80 kΩ電阻兩端的電壓。

4. 數字接口

由DATA、CLOCK和LATCH三條線組成，可直接連接到通用微控制器的串行端口。數據以MSB優先方式在CLOCK信號的上升沿載入至輸入移位寄存器，然后在LATCH信號的上升沿被送入DAC鎖存器。根據LATCH脈沖之間的時鐘周期數，可區分正常的4 mA至20 mA數據和報警電流數據。

5. 基準電壓源部分

內置1.21 V片內帶隙基準電壓源，用于產生+1.25 V和+2.5 V兩個基準電壓。REF OUT1引腳提供+1.25 V緩沖基準電壓，REF OUT2引腳提供+2.5 V基準電壓，均可提供最高0.5 mA的外部電流。在應用電路中使用時，需在基準電壓引腳上連接4.7 μF的外部電容，以確保基準電壓源工作穩定。

三、AD421的使用與配置

1. 工作模式

AD421可設置為正常的4 mA至20 mA工作模式或報警電流工作模式。正常工作模式下，編碼為16位直接二進制碼，輸出電流范圍為4 mA至20 mA；報警電流工作模式下，編碼為17位直接二進制碼，等效范圍為0 mA至32 mA，但可靠工作范圍為3.5 mA至24 mA。

2. 輸入/輸出代碼

在4 mA至20 mA工作模式下，輸入代碼與輸出電流之間存在理想關系，如輸入代碼為0000 0000 0000 0000時，輸出電流為4 mA；輸入代碼為1111 1111 1111 1111時，輸出電流為19.999756 mA。在報警電流工作模式下，也有相應的輸入/輸出代碼關系，但需注意將代碼限制在可靠工作范圍內。

3. 微處理器接口

AD421可與多種微處理器接口，如Motorola MC68HC11 SPI總線、美國國家半導體公司的MICROWIRE接口等。還可通過光隔離接口實現與控制器的隔離，減少控制線路數量，適用于本安型應用或對噪聲、安全要求較高的場景。

四、AD421的應用場景

1. 基本工作配置

在5 V下工作時，使用最少外部元件即可操作AD421。穩壓器環路與DN25D調整管一起為AD421自身和發射器中的其它器件提供(V{CC})電壓。(V{CC})引腳需使用2.2 μF電容進行充分去耦，以確保穩壓器工作穩定。

2. 降低外部FET上的功率負載

通過添加外部NPN晶體管，可降低FET上的功率負載。FET為(V{CC})供電，外部高電壓NPN雙極性晶體管輸送BOOST電流，將FET必須輸送的外部功率負載降至750 μA以下（無其它元件共享(V{CC})線路）或4 mA以下（與AD421共享同一(V_{CC})線路）。

3. 智能發射器

AD421設計用于4 mA至20 mA智能發射器，可與高分辨率Σ - Δ型轉換器（如AD7714/AD7715）配合使用。微處理器從轉換器讀取數據，處理后通過AD421將數據通過4至20 mA環路傳回至控制中心。

4. HART接口

AD421可用于HART發射器應用，將數字通信疊加到4 mA至20 mA電流環路。發射器使用帶通濾波器和調制解調器接收和發送HART數據，經過波形形成后耦合至AD421在C3引腳上的輸出端。

5. 電流源

將AD421用作電流源時，給AD421設置的電流將在R1上產生電壓，由于負反饋，R2上也將產生相同的電壓。R1與R2的比值決定負載電阻(R_{L})中的電流。

6. 備用電池

在環路損壞時，可使用備用電池保護電路的微控制器和存儲器部分，防止數據丟失。失去(V{CC})電源時，備份電路可從(V{CC})切換至電池電壓，且不會出現毛刺。

AD421以其高性能、豐富的功能和廣泛的應用場景，成為工業控制領域智能發射器的理想選擇。在實際應用中，工程師們可以根據具體需求，合理配置和使用AD421，以實現更高效、準確的數據傳輸和控制。你在使用AD421的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。