深度解析微控制器与输出外设的电气隔离方案

【导读】无论是在建筑物中还是在生产车间，如今在任何地方都需要可编程控制器来调节各种生产过程、机器和系统。这就涉及到与相关器件连接的可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)模块。为了控制这些器件，PLC或DCS模块通常具有提供电流输出、电压输出或二者的组合的输出模块。工业控制模块的标准模拟输出电压和电流范围为±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。特别是在工业领域，通常需要对微控制器和输出外设进行电气隔离。

无论是在建筑物中还是在生产车间，如今在任何地方都需要可编程控制器来调节各种生产过程、机器和系统。这就涉及到与相关器件连接的可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)模块。为了控制这些器件，PLC或DCS模块通常具有提供电流输出、电压输出或二者的组合的输出模块。工业控制模块的标准模拟输出电压和电流范围为±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。特别是在工业领域，通常需要对微控制器和输出外设进行电气隔离。

传统解决方案采用分立式设计，可以将微控制器的数字信号转换为模拟信号，或提供不同的模拟输出，并实现电气隔离。但是，与集成式解决方案相比，分立式设计有许多缺点。例如，组件数量多，导致系统非常复杂，电路板尺寸大，成本高。短路耐受能力甚至故障诊断等其他特性更凸显了这些缺陷。

较好的解决方案是在单芯片上尽可能整合更多的功能，例如，ADI公司的高精度16位DAC AD5422。除了数模转换，它还提供完全集成的可编程电流源和可编程电压输出，能够满足工业过程控制应用的需求。

图1.使用AD5422和ADuM1401实现模拟输出级隔离控制的简化示例电路。

图1显示可完全隔离控制输出模块的模拟输出级的示例电路。它特别适合需要4mA至20mA标准电流输出和单极性或双极性输出电压范围的过程控制应用中的PLC和DCS模块。这里AD5422与 ADuM1401 四通道数字隔离模块组合使用。

16位DAC AD5422的输出可通过串行外设接口(SPI)配置。该模块还集成诊断功能，这在工业环境中很有用。微控制器和DAC之间所需的绝缘电阻可通过ADuM1401实现，ADuM1401的四个通道用于与AD5422实现SPI连接：三个通道（LATCH、SCLK和SDIN）传输数据，第四个通道(SDO)接收数据。

特别是在工业应用中，必须提供能够抗高干扰电压的可靠输出。IEC 61000等标准中规定了可靠性要求，例如，其中指定了有关电磁兼容性(EMC)的要求。为了符合这些标准，输出端需要有额外的外部保护电路。一种可能的保护电路如图2所示。

图2.用于AD5422输出的符合IEC 61000标准的保护电路。

电流输出(IOUT)可以在4 mA至20 mA或0 mA至20 mA范围内选择设定。电压输出通过单独的VOUT引脚提供，该引脚的电压范围可配置为0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V。所有电压范围的超量程均为10%。两个模拟输出都具有短路和开路保护功能，可以驱动1 μF的容性负载和50 mH的感性负载。

AD5422需要10.8 V至40 V的模拟电源(AVDD)。对于数字电源电压(DVCC)，则需要2.7 V至5.5 V。或者，DVCC也可作为系统中其他组件的电源引脚或上拉电阻的终端。为此，DVCC_SELECT引脚应浮空，并向DVCC引脚施加内部4.5 V LDO稳压器电压。最大可用电源电流为5 mA。在所示电路中，DVCC用于向ADuM1401的电气隔离端供电。使用ADR4550 外部基准电压源可从16位DAC获取高精度轮换结果。这是一款高精度、低功耗、低噪声基准电压源，最大初始精度为0.02%，具有出色的温度稳定性和低输出噪声。

本文所示的电路特别适用于PLC或DCS模块的输出模块，这些模块同时提供电流和电压输出，并且必须符合IEC 61000等EMC标准。

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