環(huán)路供電型4 mA - 20 mA DAC AD421：工業(yè)控制領(lǐng)域的理想之選

在工業(yè)控制領(lǐng)域，智能發(fā)射器對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和處理至關(guān)重要。AD421作為一款完整的環(huán)路供電型4 mA - 20 mA數(shù)字轉(zhuǎn)換器，專為滿足智能發(fā)射器制造商的需求而設(shè)計(jì)。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款器件。

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一、AD421的特性亮點(diǎn)

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(diào)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(diào)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(zhǔn)確性。

2. 豐富的功能集成

內(nèi)置可選穩(wěn)壓器，可提供+5 V、+3.3 V或+3 V調(diào)節(jié)輸出電壓，為自身及發(fā)射器中的其它器件供電，無(wú)需外接獨(dú)立的穩(wěn)壓器。同時(shí)，還內(nèi)置有+1.25 V和+2.5 V精密基準(zhǔn)電壓源，為系統(tǒng)中的其它器件提供精密基準(zhǔn)電壓。

3. 通信兼容性

AD421完全兼容標(biāo)準(zhǔn)HART電路或其它類似的FSK協(xié)議，可結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)HART FSK協(xié)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)三線式串行接口與常用的微處理器和微控制器簡(jiǎn)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(yīng)用場(chǎng)景的選擇。額定溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C工業(yè)溫度范圍，適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。

二、AD421的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

1. 穩(wěn)壓器

由運(yùn)算放大器、帶隙基準(zhǔn)電壓源和外部耗盡型FET調(diào)整管組成，用于穩(wěn)定環(huán)路電壓。LV引腳上的信號(hào)通過(guò)更改電阻分壓器的增益，選擇(V{CC})要穩(wěn)定的目標(biāo)電壓值。為保證穩(wěn)壓器環(huán)路穩(wěn)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(bǔ)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(nèi)置16位Σ - Δ型DAC，由二階調(diào)制器和連續(xù)時(shí)間濾波器組成。來(lái)自調(diào)制器的單比特碼流控制開(kāi)關(guān)電流源，經(jīng)三個(gè)電阻電容濾波器部分濾波處理。為滿足指定滿量程建立時(shí)間，需使用具有低電介質(zhì)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(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器和NPN晶體管組成的電流放大器，設(shè)定從LOOP RTN引腳流出的電流。DAC輸出和環(huán)路回流之間的80 kΩ電阻用作采樣電阻，NPN晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路伺服于通過(guò)40 Ω電阻的電壓，使其等于80 kΩ電阻兩端的電壓。

4. 數(shù)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(shù)據(jù)以MSB優(yōu)先方式在CLOCK信號(hào)的上升沿載入至輸入移位寄存器，然后在LATCH信號(hào)的上升沿被送入DAC鎖存器。根據(jù)LATCH脈沖之間的時(shí)鐘周期數(shù)，可區(qū)分正常的4 mA至20 mA數(shù)據(jù)和報(bào)警電流數(shù)據(jù)。

5. 基準(zhǔn)電壓源部分

內(nèi)置1.21 V片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)電壓源，用于產(chǎn)生+1.25 V和+2.5 V兩個(gè)基準(zhǔn)電壓。REF OUT1引腳提供+1.25 V緩沖基準(zhǔn)電壓，REF OUT2引腳提供+2.5 V基準(zhǔn)電壓，均可提供最高0.5 mA的外部電流。在應(yīng)用電路中使用時(shí)，需在基準(zhǔn)電壓引腳上連接4.7 μF的外部電容，以確?；鶞?zhǔn)電壓源工作穩(wěn)定。

三、AD421的使用與配置

1. 工作模式

AD421可設(shè)置為正常的4 mA至20 mA工作模式或報(bào)警電流工作模式。正常工作模式下，編碼為16位直接二進(jìn)制碼，輸出電流范圍為4 mA至20 mA；報(bào)警電流工作模式下，編碼為17位直接二進(jìn)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(guān)系，如輸入代碼為0000 0000 0000 0000時(shí)，輸出電流為4 mA；輸入代碼為1111 1111 1111 1111時(shí)，輸出電流為19.999756 mA。在報(bào)警電流工作模式下，也有相應(yīng)的輸入/輸出代碼關(guān)系，但需注意將代碼限制在可靠工作范圍內(nèi)。

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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的MICROWIRE接口等。還可通過(guò)光隔離接口實(shí)現(xiàn)與控制器的隔離，減少控制線路數(shù)量，適用于本安型應(yīng)用或?qū)υ肼?、安全要求較高的場(chǎng)景。

四、AD421的應(yīng)用場(chǎng)景

1. 基本工作配置

在5 V下工作時(shí)，使用最少外部元件即可操作AD421。穩(wěn)壓器環(huán)路與DN25D調(diào)整管一起為AD421自身和發(fā)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(jìn)行充分去耦，以確保穩(wěn)壓器工作穩(wěn)定。

2. 降低外部FET上的功率負(fù)載

通過(guò)添加外部NPN晶體管，可降低FET上的功率負(fù)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(fù)載降至750 μA以下（無(wú)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(fā)射器

AD421設(shè)計(jì)用于4 mA至20 mA智能發(fā)射器，可與高分辨率Σ - Δ型轉(zhuǎn)換器（如AD7714/AD7715）配合使用。微處理器從轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)，處理后通過(guò)AD421將數(shù)據(jù)通過(guò)4至20 mA環(huán)路傳回至控制中心。

4. HART接口

AD421可用于HART發(fā)射器應(yīng)用，將數(shù)字通信疊加到4 mA至20 mA電流環(huán)路。發(fā)射器使用帶通濾波器和調(diào)制解調(diào)器接收和發(fā)送HART數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(shí)，給AD421設(shè)置的電流將在R1上產(chǎn)生電壓，由于負(fù)反饋，R2上也將產(chǎn)生相同的電壓。R1與R2的比值決定負(fù)載電阻(R_{L})中的電流。

6. 備用電池

在環(huán)路損壞時(shí)，可使用備用電池保護(hù)電路的微控制器和存儲(chǔ)器部分，防止數(shù)據(jù)丟失。失去(V{CC})電源時(shí)，備份電路可從(V{CC})切換至電池電壓，且不會(huì)出現(xiàn)毛刺。

AD421以其高性能、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為工業(yè)控制領(lǐng)域智能發(fā)射器的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求，合理配置和使用AD421，以實(shí)現(xiàn)更高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸和控制。你在使用AD421的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。