如何更好對微控制器和輸出外設進行電氣隔離

無論是在建筑物中還是在生產(chǎn)車間，如今在任何地方都需要可編程控制器來調(diào)節(jié)各種生產(chǎn)過程、機器和系統(tǒng)。這就涉及到與相關器件連接的可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊。為了控制這些器件，PLC或DCS模塊通常具有提供電流輸出、電壓輸出或二者的組合的輸出模塊。工業(yè)控制模塊的標準模擬輸出電壓和電流范圍為±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。特別是在工業(yè)領域，通常需要對微控制器和輸出外設進行電氣隔離。

傳統(tǒng)解決方案采用分立式設計，可以將微控制器的數(shù)字信號轉換為模擬信號，或提供不同的模擬輸出，并實現(xiàn)電氣隔離。但是，與集成式解決方案相比，分立式設計有許多缺點。例如，組件數(shù)量多，導致系統(tǒng)非常復雜，電路板尺寸大，成本高。短路耐受能力甚至故障診斷等其他特性更凸顯了這些缺陷。

較好的解決方案是在單芯片上盡可能整合更多的功能，例如，ADI公司的高精度16位DAC AD5422。除了數(shù)模轉換，它還提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，能夠滿足工業(yè)過程控制應用的需求。

圖1.使用AD5422和ADuM1401實現(xiàn)模擬輸出級隔離控制的簡化示例電路。

圖1顯示可完全隔離控制輸出模塊的模擬輸出級的示例電路。它特別適合需要4mA至20mA標準電流輸出和單極性或雙極性輸出電壓范圍的過程控制應用中的PLC和DCS模塊。這里AD5422與 ADuM1401 四通道數(shù)字隔離模塊組合使用。

16位DAC AD5422的輸出可通過串行外設接口(SPI)配置。該模塊還集成診斷功能，這在工業(yè)環(huán)境中很有用。微控制器和DAC之間所需的絕緣電阻可通過ADuM1401實現(xiàn)，ADuM1401的四個通道用于與AD5422實現(xiàn)SPI連接：三個通道（LATCH、SCLK和SDIN）傳輸數(shù)據(jù)，第四個通道(SDO)接收數(shù)據(jù)。

特別是在工業(yè)應用中，必須提供能夠抗高干擾電壓的可靠輸出。IEC 61000等標準中規(guī)定了可靠性要求，例如，其中指定了有關電磁兼容性(EMC)的要求。為了符合這些標準，輸出端需要有額外的外部保護電路。一種可能的保護電路如圖2所示。

圖2.用于AD5422輸出的符合IEC 61000標準的保護電路。

電流輸出(IOUT)可以在4 mA至20 mA或0 mA至20 mA范圍內(nèi)選擇設定。電壓輸出通過單獨的VOUT引腳提供，該引腳的電壓范圍可配置為0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V。所有電壓范圍的超量程均為10%。兩個模擬輸出都具有短路和開路保護功能，可以驅動1 μF的容性負載和50 mH的感性負載。

AD5422需要10.8 V至40 V的模擬電源(AVDD)。對于數(shù)字電源電壓(DVCC)，則需要2.7 V至5.5 V。或者，DVCC也可作為系統(tǒng)中其他組件的電源引腳或上拉電阻的終端。為此，DVCC_SELECT引腳應浮空，并向DVCC引腳施加內(nèi)部4.5 V LDO穩(wěn)壓器電壓。最大可用電源電流為5 mA。在所示電路中，DVCC用于向ADuM1401的電氣隔離端供電。

使用ADR4550 外部基準電壓源可從16位DAC獲取高精度輪換結果。這是一款高精度、低功耗、低噪聲基準電壓源，最大初始精度為0.02%，具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。

本文所示的電路特別適用于PLC或DCS模塊的輸出模塊，這些模塊同時提供電流和電壓輸出，并且必須符合IEC 61000等EMC標準。