環路供電型4 - 20 mA DAC AD421：工業控制領域的理想之選

在工業控制領域，智能發射器需要高精度、低成本的解決方案來實現數字到模擬的轉換。ADI公司的AD421就是這樣一款出色的環路供電型4 - 20 mA數字轉換器，下面我們就來詳細了解一下它。

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一、AD421的特性亮點

1. 電流輸出與分辨率

AD421能夠輸出4 mA至20 mA的電流，具有16位分辨率和單調性，積分非線性僅為±0.01%，可以保證高精度的信號轉換。比如在一些對電流精度要求極高的工業控制場景中，AD421就能很好地滿足需求。

2. 兼容性與接口

它是HART?兼容型，可結合標準HART FSK協議通信電路使用，且額定性能不受影響。同時，其靈活的高速串行接口能以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，方便工程師進行系統集成。

3. 內部資源

內置可選穩壓器，可提供+5 V、+3.3 V或+3 V調節輸出電壓，還內置有+1.25 V和+2.5 V精密基準電壓源，無需外接獨立的穩壓器和基準電壓源，大大簡化了電路設計。

4. 其他特性

靜態電流最大值為750 μA，具有可編程報警電流能力，能通過發送超量程電流指示傳感器故障。提供16引腳SOIC和PDIP封裝，額定溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C工業溫度范圍，適應多種工業環境。

二、AD421的功能模塊解析

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，為AD421自身及發射器電路其余部分供電。LV引腳上的信號可選擇(V{CC})要穩定的目標電壓值，通過更改運算放大器反相輸入端和(V{CC})引腳之間電阻分壓器的增益來實現。選擇FET調整管時，需注意其(Vgs(off))、(I{Dss})和跨導等參數，以確保DRIVE引腳上的運算放大器輸出能正確控制FET的工作點。為補償穩壓器環路并確保穩定工作，還需采用若干外部元件，如在(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等。

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，再由三個電阻電容濾波器部分進行濾波處理。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輸出電流驅動由運算放大器和NPN晶體管組成的電流放大器，以設定從LOOP RTN引腳流出的電流。DAC輸出和環路回流之間連接的80 kΩ電阻用作采樣電阻來決定電流大小，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

僅由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，無需外部膠連邏輯。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信號之間收到的時鐘脈沖數，可判斷輸入的數據是正常的4 - 20 mA數據還是報警電流數據。

5. 基準電壓源部分

內置1.21 V片內帶隙基準電壓源，可產生+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。要讓AD421采用自身的基準電壓源工作，只需將REF OUT2引腳連接到REF IN引腳。在應用電路中使用REF OUT1和REF OUT2時，需在基準電壓引腳上連接4.7 μF的外部電容，以提供補償并確保基準電壓源工作穩定。

三、AD421的工作模式與編碼

1. 正常工作模式

編碼為16位直接（自然）二進制碼，輸出電流范圍為4 mA至20 mA。當REF IN電壓為 + 2.5 V時，(1 LSB = 16 mA / 65,536 = 244 nA)。

2. 報警電流工作模式

編碼也為直接二進制碼，在兩倍范圍（0 mA至32 mA）分辨率為17位，但實際操作中，AD421無法可靠地產生低于3.5 mA或超過24 mA的電流。當REF IN電壓為 + 2.5 V時，理想情況下，(1 LSB = 32 mA / 131,072 = 244 nA)。

四、AD421的接口應用

1. 微處理器接口

• AD421 – MC68HC11(SPI總線)接口：68HC11的SCK、MOSI和SS引腳分別連接到AD421的CLOCK、DATA IN和LATCH引腳，通過典型程序初始化SPI數據和控制寄存器，實現數據傳輸。
• AD421至MICROWIRE接口：MICROWIRE接口的G1、SK和SO引腳分別連接到AD421的LATCH、CLOCK和DATA IN引腳，與美國國家半導體公司的MICROWIRE接口兼容。

2. 光隔離接口

AD421的多功能三線式串行接口適合用于將隔離數字系統和控制環路所需的控制線路數量減至最少。在本安型應用等場景中，可通過光隔離器將AD421和控制器隔離開來，若使用上升時間和下降時間相對較短的光耦合器，可能需要在數字輸入端上連接施密特觸發器，以免將錯誤數據提供給DAC。

五、AD421的應用場景

1. 基本工作配置

使用最少外部元件操作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，確保穩壓器工作穩定。若AD421在(V_{CC} = 3 V)下工作，需在COM和LOOPRTN之間連接一個16 kΩ電阻，以校正傳遞函數的負偏移。

2. 降低外部FET上的功率負載

通過添加外部NPN晶體管，可將FET必須輸送的外部功率負載降至750 μA以下（如果沒有任何其它元件共享(V{CC})線路）和4 mA以下（在與AD421共享同一(V{CC})線路的應用中）。

3. 智能發射器

AD421設計用于4 - 20 mA智能發射器，發射器處測得的傳感器電壓通過AD7714或AD7715等分辨率Σ - Δ型轉換器進行轉換，微處理器處理數據后，通過AD421將數據通過4 - 20 mA環路傳回至控制中心。

4. HART接口

HART協議采用頻移鍵控（FSK）技術，可將數字通信疊加到4 - 20 mA電流環路。在HART發射器應用中，AD421可與帶通濾波器、調制解調器等配合使用，實現模擬和數字通信的疊加。

5. 電流源

將AD421用作電流源，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，備份電路可從(V{CC})切換至電池電壓，防止微控制器和存儲器部分的數據丟失。IRFF9113在正常工作期間用作電流源，給超級電容和鎳鎘電池提供連續充電電流，喪失(V{CC})時，電池或超級電容電流可流過MOSFET溝道和體二極管來給微控制器和存儲器部分供電。

AD421以其高性能、低成本和豐富的功能，為工業控制領域的智能發射器應用提供了一個優秀的解決方案。工程師們在設計相關電路時，可以根據具體需求充分發揮AD421的優勢，實現更高效、穩定的系統設計。你在使用AD421的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。