四通道16位DAC节省多通道PLC的空间、成本和功耗

典型工业控制系统的通信分层情况如图1所示。直到最近，分布式输入/输出(远程I/O和可编程逻辑控制器(PLC))通常仍然使用Modbus、 PROFIBUS(过程现场总线)或Fieldbus等开放或专有协议进行连接。如今，业界对使用PROFINET5的兴趣日渐增强，它是 一种设计用于在以太网设备之间快速交换数据的工业以太网协议。

在"现场"级，用于将工业驱动器、电机、执行器、控制器与PLC/DCS I/O系统互连的现场总线协议为数众多，包括 DeviceNet、CAN、InterBus和上述PROFIBUS、Fieldbus。

输入输出(I/O)控制器连接工厂或过程环境中的传感器和控制执行器，并通过上述模拟和数字方式与多个终端节点通信。本身安全的系统通过4mA至20mA电流环路进行连接，一些系统则使用隔离技术。控制处理器通常为8位至32位处理器，性能最高可达100 DMIPS(Dhrystone 百万条指令/秒)。工厂自动化设备结实耐用，能在恶劣的工业环境中工作而不需要风扇。图2显示了几个8通道模拟I/O模块的例子。由于其尺寸小，因此功耗有限，有些甚至不到5W。

模拟4mA至20mA电流环路常用于工业过程控制的信号传输，4mA代表范围的低端，20mA代表范围的高端。电流环路的主 要优势在于信号精度不受互连线路的压降影响，而且环路可以提供最高4mA电流为器件供电。即使线路电阻很大，电流环 路变送器也会在其电压能力范围内维持适当的电流。

通过4mA所代表的"活动—零"状态，接收仪表可以检测环路的一些故障(例如：0mA表示开环，3mA表示传感器发生故障)，双线变送器设备也能通过环路电流供电。此类仪表用于测量压力、温度、流量、pH值和其它过程变量，以及控制阀门定位器或其它输出执行器。模拟电流环路中的电流可以在环路中的任一点，通过一个串联精密电阻转换为电压输入。仪表的输入端可能会将电流环路的一端连接到机壳(大地)，因 此当串联连接多个仪表时，可能需要模拟隔离器。

在图3所示的系统中，一个通道配置为4mA至20mA通信(本例中为从DAC驱动一个执行器负载)。执行器的端接电阻决定环路所需的最大电源电压。例如，100电阻至少需要2 V电压才能提供20 mA电流。如今的系统必须能够驱动最高达(有时甚至超过)1k的负载，这是很常见的要求。对于这一负载阻抗和20 mA的满量程电流，电源需要提供至少20 V电压。所产生的功率为：

P = V × I = 20 V × 0.02 A = 0.4 W.

如果负载阻抗变为100 ，使用同一电源(有效条件)时，即使只需要 0.04 W功率，功耗仍将为0.4 W。这种情况下，系统的效率损失为90%，360mW功率遭到浪费。

对于一个8通道模块，20V电源下的总功耗将为3.2 W，其中多达2.88 W的功率遭到浪费(如果所有负载均为100 )。这种情况下，自热效应和功耗预算的提高开始演变成问题。模块内的温度升高可能导致系统误差增大，各个器件的漂移特性需要纳入系统整体的误差预算中加以考虑。

设计人员会考虑各种办法来解决这些问题

• 增大模块尺寸以支持更多功耗，但成本会增加，因而 这种解决方案的竞争力不强。

• 使用散热和/或风扇控制，这是一种昂贵的解决方案，同时会增大空间。

• 减小最大负载阻抗，以便限制电路的整体功耗，在一些应用中，这会限制性能，导致系统的市场竞争力下降。

无论如何，在更小的空间中提供更多的通道这一趋势会给许多系统设计人员带来散热和功耗方面的困扰。一种有助于解决此问题的方法是从5V电源入手。监控输出负载电压，然后根据需要有效升压并调节输出电压。图4显示5V电源和一款高效率DC/DC升压转换器利用反馈控制提供适当的输出电压，使片内功耗最小。

对于工业应用，必须能够监控并报告系统级故障，在故障状况下拥有尽可能多的系统控制权至关重要。AD5755包括许多片内诊断特性，能够为用户提供系统级差错校验功能。

发生故障时，一个重要考虑是控制DAC的MCU/DSP会如何。 由于不能控制输出，用户将完全失去对系统的控制。AD5755有一个看门狗定时器(超时可编程设定)，如果它在超时期限内没有收到SPI接口传来的命令，就会设置警告标志(高电平有效)。需要时，此ALERT引脚可以直接连到清零引脚(也是高电平有效)，以便将输出设置为已知的安全状态(图 7)。 AD5755的每个通道都有一个16位可编程清零码寄存器，用户可以灵活地将输出清零为任意码。

在高噪声工业环境中，即使MCU正常工作，通信信号也可能遭到破坏。为了应对这种可能性，AD5755具有可选的分组差错校验(PEC)功能，它实施一种CRC8多项式例程。该功能可以通过软件使能或禁用，确保输出不会错误地更新。

输出端接线错误常会导致连接开路或短路，有可能会造成系统损坏。(即使没有发生损坏，问题也往往难以诊断。AD5755具有开路和短路检测功能，可以即时设置故障标志，提醒技术人员处理相关问题。)此外，当发生短路时，短路保护功能可以限制输出电流。所有故障都可以通过SPI接口或硬件故障引脚传达，以便用户即时采取处理措施。

纯4mA至20mA电流环路的缺点是只能单向传输单个过程变量，这对于现代工业控制系统是个限制。可寻址远程传感器高速通道(HART)标准的发展为4mA至20mA通信线路开启了新的可能。

HART提供数字双向通信机制，兼容4mA至20mA电流环路。 在4mA至20mA模拟电流信号之上叠加一个1mA峰峰值频移键控(FSK)信号。基于BELL 202通信标准，所用的两个频率为1200 Hz(逻辑1)和2200 Hz(逻辑0)，如图 9所示。

AD5755可以配置为仅利用两个外部器件来传输HART信号。HART调制解调器的输出经过衰减后，交流耦合至AD5755的CHART引脚;这导致调制解调器输出在4mA至20mA模拟电流上进行调制，而不会影响该电流的"直流"电平。图10中的电路显示AD5755如何与HAR调制解调器接口以实现这种双向通信形式。

HART规范要求模拟电流的最大变化速率不得干扰HART通信。很显然，电流输出的步进变化可能会中断HART信号传 输。幸运的是，AD5755提供可控制的压摆率，启用该功能后， 用户可以通过数字方式限制电流输出的压摆率。

　　AD5755 完整解决方案

图 11显示采用AD5755的典型设置。(图中显示了一个HART调制解调器通道，但有四路HART输入可用，每个通道一路输入。)当使能动态电源控制特性时，每个通道需要四个外部器件：一个饱和电流约为1A的电感、一个开关二极管和两个具有低等效串联电阻(ESR)的电容。利用极少的外部器件，AD5755提供一款集成的单芯片、高性能系统解决方案。总非调整误差(TUE)典型值为0.01%，其中包括25℃C时的所有增益和失调误差。