環(huán)路供電型4 - 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)射器需要高精度、低成本的解決方案來實現(xiàn)數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。ADI公司的AD421就是這樣一款出色的環(huán)路供電型4 - 20 mA數(shù)字轉(zhuǎn)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(diào)性，積分非線性僅為±0.01%，可以保證高精度的信號轉(zhuǎn)換。比如在一些對電流精度要求極高的工業(yè)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(jié)合標準HART FSK協(xié)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(tǒng)集成。

3. 內(nèi)部資源

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，還內(nèi)置有+1.25 V和+2.5 V精密基準電壓源，無需外接獨立的穩(wěn)壓器和基準電壓源，大大簡化了電路設(shè)計。

4. 其他特性

靜態(tài)電流最大值為750 μA，具有可編程報警電流能力，能通過發(fā)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(yè)溫度范圍，適應(yīng)多種工業(yè)環(huán)境。

二、AD421的功能模塊解析

1. 穩(wěn)壓器

由運算放大器、帶隙基準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，為AD421自身及發(fā)射器電路其余部分供電。LV引腳上的信號可選擇(V{CC})要穩(wěn)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(xiàn)。選擇FET調(diào)整管時，需注意其(Vgs(off))、(I{Dss})和跨導(dǎo)等參數(shù)，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(wěn)壓器環(huán)路并確保穩(wěn)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(nèi)置16位Σ - Δ型DAC，由二階調(diào)制器和連續(xù)時間濾波器組成。來自調(diào)制器的單比特碼流控制開關(guān)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(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)動由運算放大器和NPN晶體管組成的電流放大器，以設(shè)定從LOOP RTN引腳流出的電流。DAC輸出和環(huán)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(qū)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(shù)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(shù)據(jù)以MSB優(yōu)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(jù)LATCH信號之間收到的時鐘脈沖數(shù)，可判斷輸入的數(shù)據(jù)是正常的4 - 20 mA數(shù)據(jù)還是報警電流數(shù)據(jù)。

5. 基準電壓源部分

內(nèi)置1.21 V片內(nèi)帶隙基準電壓源，可產(chǎn)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(yīng)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?；鶞孰妷涸垂ぷ鞣€(wěn)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(chǎn)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(yīng)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(shù)據(jù)和控制寄存器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(dǎo)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(shù)字系統(tǒng)和控制環(huán)路所需的控制線路數(shù)量減至最少。在本安型應(yīng)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(shù)字輸入端上連接施密特觸發(fā)器，以免將錯誤數(shù)據(jù)提供給DAC。

五、AD421的應(yīng)用場景

1. 基本工作配置

使用最少外部元件操作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電容進行充分去耦，確保穩(wěn)壓器工作穩(wěn)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(shù)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(yīng)用中）。

3. 智能發(fā)射器

AD421設(shè)計用于4 - 20 mA智能發(fā)射器，發(fā)射器處測得的傳感器電壓通過AD7714或AD7715等分辨率Σ - Δ型轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，微處理器處理數(shù)據(jù)后，通過AD421將數(shù)據(jù)通過4 - 20 mA環(huán)路傳回至控制中心。

4. HART接口

HART協(xié)議采用頻移鍵控（FSK）技術(shù)，可將數(shù)字通信疊加到4 - 20 mA電流環(huán)路。在HART發(fā)射器應(yīng)用中，AD421可與帶通濾波器、調(diào)制解調(diào)器等配合使用，實現(xiàn)模擬和數(shù)字通信的疊加。

5. 電流源

將AD421用作電流源，給AD421設(shè)置的電流將在R1上產(chǎn)生電壓，由于負反饋，R2上也將產(chǎn)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(huán)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(shù)據(jù)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(xù)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(yè)控制領(lǐng)域的智能發(fā)射器應(yīng)用提供了一個優(yōu)秀的解決方案。工程師們在設(shè)計相關(guān)電路時，可以根據(jù)具體需求充分發(fā)揮AD421的優(yōu)勢，實現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計。你在使用AD421的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。