電路功能與優(yōu)勢
　　圖1所示電路是一款適合過程控制應(yīng)用的完全可編程通用模擬前端(AFE),。它支持下列輸入：2/3/4線RTD配置,、帶冷結(jié)補(bǔ)償?shù)臒犭娕驾斎搿螛O性和雙極性輸入電壓,、4 mA至20 mA輸入,。
　
　　如今，許多模擬輸入模塊使用線鏈路（跳線）來配置客戶輸入要求,，配置和重新配置輸入需要時(shí)間,、知識和手動(dòng)干預(yù)。本電路提供一個(gè)用來配置工作模式的軟件可控開關(guān)以及用來激勵(lì)RTD的恒流源,。本電路也可以重新配置,，以便設(shè)置熱電偶配置的共模電壓。一個(gè)差分放大器用來調(diào)理Σ-Δ ADC的模擬輸入范圍,。本電路以最低的成本提供業(yè)界領(lǐng)先的性能,。
　
　　由于AD8676 和 AD8275 提供電壓增益，因此該設(shè)計(jì)特別適合小信號輸入、所有類型的RTD或熱電偶,。
　
　　AD7193 是一款24位Σ-Δ型ADC,，可配置為四路差分輸入或八路偽差分輸入。ADuM1400 和 ADuM1401在微控制器與ADC之間提供所需的全部信號隔離,。本電路還含有標(biāo)準(zhǔn)外部保護(hù)功能,，符合IEC 61000標(biāo)準(zhǔn)。

圖1. 適合過程控制應(yīng)用的通用可編程模擬前端（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

電路描述
　　本電路針對過程控制應(yīng)用提供一款完全可編程的通用模擬前端(AFE),，支持2/3/4線RTD配置,、帶冷結(jié)補(bǔ)償?shù)臒犭娕驾斎搿螛O性和雙極性輸入電壓,、4 mA至20 mA輸入,，如圖2的配置圖所示。
　
　　串行控制的8通道單刀單擲開關(guān) ADG1414用于配置選定的測量模式,。

圖2. 模擬輸入配置表

電壓測量
　　本電路支持最高達(dá)±10 V的單極性和雙極性信號測量,。輸入信號先通過一個(gè)信號調(diào)理級，然后由AD7193 ADC執(zhí)行轉(zhuǎn)換,。AD8676放大器緩沖輸入信號,，然后由增益級放大。AD8275用來對輸入信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，并提供增益,，使其符合AD7193的輸入范圍。與REF引腳相連的共模電壓用來偏置AD8275的輸出,。此電壓由4.5 V精密基準(zhǔn)電壓源 REF194 產(chǎn)生,。
　
RTD測量
　　如連接表所示，本電路支持2/3/4線RTD配置,。此時(shí),，傳感器是一個(gè)1000 Ω鉑(Pt) RTD（電阻溫度檢測器）。最精確的配置是4引腳RTD配置,。在所示的應(yīng)用中,，外部200 μA電流源提供RTD所需的激勵(lì)電流，AD7193在16倍增益下工作,，使電路的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大,。選擇RTD測量模式時(shí)， AD8617 放大器被配置為電流源,。選擇熱電偶測量時(shí),，它在閉環(huán)中重新配置，以便設(shè)置共模電壓,。AD8617是一款雙通道低噪聲放大器,，因此它能同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路板上的兩個(gè)輸入通道,。配置電流源的電阻必須具有低溫度系數(shù)，以免在測量電路中引入溫漂誤差,。
　
熱電偶測量
　　在熱電偶應(yīng)用中,，以ADC外部的絕對基準(zhǔn)電壓為基礎(chǔ)來測量熱電偶所產(chǎn)生的電壓。冷結(jié)補(bǔ)償利用16位溫度傳感器 ADT7310 實(shí)現(xiàn),。因?yàn)闊犭娕嫉男盘栞^小,，同時(shí)為使電路的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大，所以AD7193在128倍的最高增益下工作,。輸入通道具有緩沖功能,，因此需要時(shí)可將大去耦電容置于前端，以便于消除可能出現(xiàn)在熱電偶引腳上的噪聲影響,。熱電偶測量所用的共模電壓由放大器AD8617提供,。
　
4 mA至20 mA電流測量
　　本電路還支持4 mA至20 mA電流測量。利用片上檢測電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓,。為在電流測量模式下使用ADC的全部動(dòng)態(tài)范圍,，使用一個(gè)200 Ω電阻。該檢測電阻必須具有低溫度系數(shù),，以免在測量電路中引入溫漂誤差。
　
穩(wěn)壓器和基準(zhǔn)電壓源的選擇
　　本電路選擇 ADP1720 作為5 V穩(wěn)壓器,。
　
　　ADP1720是一款高壓微功耗線性穩(wěn)壓器,，特別適合工業(yè)應(yīng)用。本電路選擇4.5 V REF194作為基準(zhǔn)電壓源,，E級器件在25°C時(shí)的初始精度為±2 mV,，最大溫漂為5 ppm/°C。它是一款低壓差器件,，功耗小于45 μA,，額定工作溫度范圍為−40°C至+125°C。
　
隔離
　　ADuM1400和ADuM1401是基于ADI公司 iCoupler® 技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器,，用來在現(xiàn)場端與系統(tǒng)微控制器之間實(shí)現(xiàn)隔離,，隔離額定值為2.5 kV rms。ADuM1400使用4條線,，全部用于發(fā)送數(shù)據(jù)（SCLK,、DIN、ADG1414,、ADT7310）,。ADuM1401也使用4條線，1條線用于發(fā)送數(shù)據(jù)( AD7193),，3條線用于接收數(shù)據(jù)（INT1,、INT2,、DOUT）。DIN,、DOUT和SCLK線連接到SPORT接口,。

　　圖3顯示配置為雙極性輸入模式并且輸入接地時(shí)AD7193輸出性能的直方圖,。該直方圖顯示了等效輸入噪聲的影響。這種模式實(shí)現(xiàn)的有效分辨率為19.2位,。
　
　　表1顯示了其它模式下基于1000個(gè)ADC數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的性能,。
　
　　該設(shè)計(jì)還包括外部保護(hù)功能，如標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)二極管和瞬變電壓抑制器（TVS器件）等,，用以增強(qiáng)電路的魯棒性,。更多信息參見CN0209設(shè)計(jì)支持包中的原理圖和其它資源：http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport。

圖3. AD1793噪聲分布直方圖（1000樣本,，50 Hz數(shù)據(jù)速率,，增益 = 1，輸入 = 4.5 V基準(zhǔn)電壓）

電路評估與測試
　　本電路使用EVAL-CN0209-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP)評估板,。這兩片板具有120引腳的對接連接器,，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。EVAL-CN0209-SDPZ板包含要評估的電路,，如本筆記所述,。SDP評估板與CN0209評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0209-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù),。
　
設(shè)備要求
　?。瓗SB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）PC
　?。璄VAL-CN0209-SDPZ 電路評估板
　?。璄VAL-SDP-CB1Z SDP 評估板
　　－CN0209 評估軟件
　?。?15 V和–15 V電源
　?。璕TD溫度傳感器
　　－熱電偶
　
開始使用
　　將CN0209評估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器,，加載評估軟件,。打開“我的電腦”,，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件,。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件,。
　
　　電路的功能框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見“EVAL-CN0209-SDPZ-SCH-Rev0.pdf”文件,。此文件位于CN0209設(shè)計(jì)支持包中： http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport
　
設(shè)置
　　EVAL-CN0209-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評估板上標(biāo)有“CON A”的連接器,。通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電情況下,，將一個(gè)+15 V電源連接到板上標(biāo)有“+15 V”的引腳,，將一個(gè)−15 V電源連接到板上標(biāo)有“−15 V”和“GND”的引腳。SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口,。注意：此時(shí)請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器,。
　
測試
　　為連接到EVAL-CN0209-SDPZ電路板的±15 V電源通電。啟動(dòng)評估軟件,，并通過USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器,。
　　一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發(fā)送,、接收,、捕捉來自EVAL-CN0209-SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。
電壓測量
　　若要測量電壓測量電路的噪聲,，請將輸入J3和J4同時(shí)接地,，然后點(diǎn)擊軟件中相應(yīng)通道的按鈕：V1（若使用通道1）或V2（若使用通道2）。
　　若要測量電壓,，請按照圖2（模擬輸入配置表）所示連接輸入J3和J4，然后如上所述,，點(diǎn)擊軟件中的相應(yīng)按鈕,。
　　結(jié)果以波形和直方圖顯示?？梢允褂们袚Q按鈕選擇電壓測量結(jié)果的刻度：μV,、mV或V。
RTD測量
　　若要通過RTD溫度傳感器測量溫度,，請按照圖2所示連接輸入J1,、J2、J3和J4,。RTD 2線,、3線或4線各對應(yīng)一種連接配置。然后,，點(diǎn)擊軟件中的相應(yīng)按鈕（RTD1表示通道1,，RTD2表示通道2）,。
　　可以使用波形上方的切換按鈕來選擇測量結(jié)果的顯示單位：華氏度、攝氏度或開氏度,。
熱電偶測量
　　若要通過熱電偶測量溫度,，請按照圖2所示連接輸入J1、J2,、J3和J4,。選擇所用的熱電偶類型（B、E,、J,、K、R,、S,、T、N）,，然后點(diǎn)擊軟件中的TC按鈕（TC1表示通道1,，TC2表示通道2）。
　　可以使用波形上方的切換按鈕來選擇測量結(jié)果的顯示單位：華氏度,、攝氏度或開氏度,。
電流測量
　　若要測量電流，請按照圖2所示連接輸入J5和J6,，然后點(diǎn)擊軟件中的相應(yīng)按鈕（I1表示通道1,，I2表示通道2）。
　　可以使用切換按鈕選擇電流測量結(jié)果的刻度：μA,、mA或A,。
　　有關(guān)SDP板的信息，請參閱 SDP 用戶指南,。