電路功能與優勢

工業和儀器儀表系統，以及可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統（DCS），常常必須控制輸出。控制方式有兩種：電流控制（4 mA至20 mA）和電壓控制（高達±10 V）。通常，此類設計還需要與本地系統控制器隔離，以防形成接地環路，同時確保不受外部事件影響。傳統解決方案利用分立IC提供電源和數字隔離。當需要多通道隔離時，分立解決方案的成本和空間會變得非常不利。基于光隔離器的解決方案通常具有合理的輸出調節，但需要額外的外部元件，因而會使電路板面積增大。電源模塊常常體積龐大，而且輸出調節可能不佳。圖1所示電路基于ADuM347x系列隔離器（ADuM3470、ADuM3471、ADuM3472、ADuM3473、ADuM3474），集成了數字隔離、PWM控制的電源調節電路和相關的反饋隔離。使用外部變壓器將功率傳輸到隔離柵的另一端。16位DAC AD5422 提供電流和電壓輸出。

16位工業、隔離電壓電流輸出的DAC，同時提供隔離的DC-DC電源 （CN0233）

圖1. 帶隔離電源的16位隔離式電流和電壓輸出DAC

電路描述

AD5422是一款完全集成、完全可編程的16位電壓和電流輸出DAC，可編程范圍如下：4 mA至20 mA、0 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V、±10 V。電壓輸出裕量典型值為1 V，電流輸出需要大約2.5 V的裕量。這意味著，采用15 V電源時，20 mA電流輸出可以驅動大約600 Ω的負載。

ADuM347x為四通道數字隔離器，集成PWM控制器和低阻抗變壓器驅動器（X1和X2）。隔離式DC/DC轉換器僅需要以下額外器件：變壓器和簡單的全波二極管整流器。采用5.0 V或3.3 V輸入電源時，器件最多可提供2 W的調節隔離功率，這樣就不需要單獨的隔離式DC/DC轉換器。

iCoupler 芯片級變壓器技術用于隔離邏輯信號；集成的變壓器驅動器帶隔離副邊控制功能，可以提高隔離式DC/DC轉換器的效率。內部振蕩器頻率可以在200 kHz至1 MHz范圍內調整，由ROC的值決定。當ROC = 100 kΩ時，開關頻率為500 kHz。

ADuM3471調節來自15 V正電源。調節反饋來自分壓器網絡（R1、R2、R3）。電阻根據以下要求選擇：當輸出電壓為15 V時，反饋電壓為1.25 V。反饋電壓與ADuM3471內部反饋設定點電壓1.25 V相比較。調節通過改變驅動外部變壓器的PWM信號的占空比來實現。

負電源的調節不太嚴格，對于輕負載，負電源可以高達?23 V，這仍然在?26.3 V的最大工作電壓以內。對于1 kΩ以上的標稱負載，較大未調節負電源電壓導致的額外功耗不是一個問題。在要求較高順從電壓或極低功耗的應用中，應當考慮其它電源設計。

該電路利用5 V、高精度、低漂移（B級最大值為3 ppm/°C）外部基準電壓源ADR445 進行測試。在工業溫度范圍內（?40°C至+85°C），該電路的總系統誤差小于0.1%。

AD5422內部集成一個高精度基準電壓源，其最大溫漂為10 ppm/°C。若用該基準電壓源代替外部基準電壓源，則在整個工業溫度范圍內，只會產生0.065%的額外誤差。

AD5422積分非線性（INL）在線性電源和隔離式DC/DC開關電源兩種情況下進行測試，確保系統精度不會因為開關電源而有所損失。圖2顯示的是線性電源下的INL，圖3顯示的是開關電源下的INL。與線性電源相比，使用開關電源時性能沒有明顯損失。

圖2. ±10V輸出范圍時電路的實測INL：使用線性電源

圖3. ±10V輸出范圍時電路的實測INL：使用開關電源

此外還測試并比較了線性電源和開關電源兩種情況下一定時間內的平均輸出噪聲，如圖4所示。注意，一定時間內測得的輸出噪聲存在細微的偏差，此偏差可以歸結于以下兩個原因：線性負電源與未調節開關電源的差異引起的直流PSRR，以及基準電壓在兩次測量之間的時間中發生的漂移。

圖4. 線性電源和開關電源的實測平均DAC輸出噪聲，DAC輸出設置為?5 V，使用±10 V輸出范圍（1 LSB = 0.0003 V），650個采樣

常見變化

經驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩定地工作，并具有良好的精度。如果應用只需要4 mA至20 mA電流輸出，則可以使用單電源方案。這種情況下，正AVCC電源可以高達26.4 V，因此輸出順從電壓為26.4 V – 2.5 V = 23.9 V。輸出電流為20 mA時，可以驅動高達1 kΩ的負載電阻。

如果應用不需要16位分辨率，可以使用12位產品AD5412。

ADuM347x（ADuM3470、ADuM3471、ADuM3472、ADuM3473、ADuM3474）隔離器提供四個獨立的隔離通道，支持多種輸入/輸出通道配置。這些器件還提供1 Mbps（A級）或25 Mbps（C級）的最大數據速率。

電路評估與測試

此電路利用EVAL-AD5422EBZ電路板和EVAL-ADuM3471EBZ進行測試，二者的連接如圖5所示。為確保充分測試隔離路徑，控制器與AD5422之間的地、電源和數據走線被切斷，信號通過ADuM3471評估板路由。

圖5. 顯示評估板連接的測試設置功能框圖

用于收集測試數據的設備

帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista?（32位）或Windows 7（32位）PC

EVAL-AD5422EBZ（有改動）

EVAL-ADuM3471EBZ（有改動）

AD5422電路板的評估軟件

電源：+5 V

電源：±15 V、Agilent E3630A或等同

Agilent 3458A、8.5位數字萬用表或同等設備

National Instruments GPIB轉USB-B接口和電纜

設置與測試

本電路通過連接 ADuM3471 評估板和AD5422 評估板進行測試和驗證，如圖5所示。

變壓器更換為1:5匝數比 （Coilcraft KA4976-AL），從而將雙電源設置為ADuM3471評估板上的正電源和負電源。其它變更包括將R24和R22的0 Ω電阻移動到R23和R21。R23（而不是R24）短路，使J6的+7.5 V/6 V引腳變為?15 V電源引腳。R21（而不是R22）短路，從而將變壓器中心抽頭連接到地層，而不是連接L3、C20和C27的節點。

UG-197 的圖16顯示了對于雙電源或正負電源配置，哪些電阻應當短路和開路。注意：有關這些硬件變更的詳細信息，請參閱用戶指南UG-197。

AD5422評估板經過修改，以便讓數字控制信號通過ADuM3471評估板，從而充分測試AD5422的完整數據隔離路徑。

INL和噪聲數據通過如下方法獲得：將DAC數據從PC輸入AD5422評估板，利用GPIB/USB接口從3485A萬用表讀取結果。DAC的輸入數據利用AD5422評估板軟件產生。