Zřídka kladené otázky Jak lze řídit 16bitový výstupní modul s napěťovým a proudovým výstupem při úplném galvanickém oddělení od mikrokontroléru?

Jak bych měl navrhnout galvanicky oddělený 16bitový výstupní modul řízený mikrokontrolérem?

Použitím 3čipového řešení pro D/A převodník AD5422.

Ať už v budovách, nebo ve výrobních halách, programovatelné kontroléry jsou dnes potřeba všude, k řízení různých procesů, strojů a systémů. To vyžaduje PLC (programmable logic controllers) nebo moduly DCS (distributed control systems), k nimž jsou zařízení připojena. Pro řízení těchto zařízení jsou PLC a moduly DCS obvykle vybaveny výstupními moduly s proudovými výstupy, napěťovými výstupy nebo kombinací obou.

Průmyslové řídicí moduly pokrývají standardní analogové napěťové a proudové rozsahy ±5 V, ±10 V, 0 V až 5 V, 0 až 10 V, 4 mA až 20 mA a 0 mA až 20 mA. Zejména v průmyslovém sektoru je často požadováno galvanické oddělení mikrokontroléru od výstupních periferních zařízení.

Klasická řešení využívají konstrukce z diskrétních součástek pro převod digitálních signálů z mikrokontroléru na signály analogové a také k realizaci galvanického oddělení. Ve srovnání s integrovanými řešeními má však diskrétní konstrukce mnoho nevýhod. Například značný počet součástek vede k vysoké složitosti systému, rozměrným DPS a vysokým nákladům. Tyto nevýhody vystupují do popředí také v souvislosti s dalšími vlastnostmi, jako je odolnost vůči zkratu nebo diagnostika poruch.

Lepším řešením je integrovat co možná nejvíce funkcí na jediném čipu, jako je tomu například u AD5422 – vysoce přesného 16bitového D/A převodníku od Analog Devices Inc. Kromě D/A převodu nabízí tento obvod také plně integrovaný programovatelný zdroj proudu, programovatelný napěťový výstup, a splňuje tak požadavky aplikací řízení průmyslových procesů.

Obr. 1 ukazuje příklad obvodu pro řízení s plným galvanickým oddělením výstupního analogového stupně výstupního modulu. Tento obvod je specificky vhodný pro PLC a moduly DCS v aplikacích řízení průmyslových procesů vyžadujících standardní proudové výstupy 4 mA až 20 mA a unipolární nebo bipolární výstupní napěťové rozsahy. AD5422 je zde využit v kombinaci s ADuM1401 – čtyřkanálovým digitálním oddělovacím modulem.

Výstupy 16bitového D/A převodníku AD5422 jsou konfigurovatelné prostřednictvím rozhraní SPI (Serial Peripheral Interface). Modul má rovněž integrovány diagnostické funkce, které mohou být užitečné v průmyslovém prostředí. Požadovaného izolačního odporu mezi mikrokontrolérem a D/A převodníkem je dosaženo za pomoci ADuM1401, jehož čtyři kanály jsou využity pro připojení k AD5422 skrze SPI: tři kanály (Latch, SCLK a SDIN) vysílají data a čtvrtý kanál (SDO) data přijímá.

Zejména v průmyslových aplikacích je třeba zajistit robustní výstupy, které jsou odolné vůči vysokým úrovním napěťového rušení. Požadavky robustnosti jsou vyjádřeny v normách, jako je IEC 61000, která určuje například požadavky z hlediska elektromagnetické kompatibility (EMC). Pro zajištění shody s těmito normami je nezbytné mít na výstupech další vnější ochranné obvody. Jedna možnost zapojení ochranných obvodů je vidět na obr. 2.

Proudový výstup (Iout) lze selektivně naprogramovat na rozsah 4 mA až 20 mA nebo 0 mA až 20 mA. Napěťový výstup je k dispozici prostřednictvím zvláštního vývodu Vout, který je možné nakonfigurovat na napěťové rozsahy 0 V až 5 V, 0 V až 10 V, ±5 V nebo ±10 V s přesahem 10 % u každého z nich. Oba analogové výstupy jsou opatřeny ochranou proti zkratu i stavu naprázdno a dokážou budit kapacitní zátěž až 1 μF a induktivní zátěž až 50 mH.

AD5422 vyžaduje zdroj pro napájení analogové části (AVDD) v rozsahu 10,8 až 40 V. Digitální část je napájena zdrojem (DVCC) 2,7 až 5,5 V. DVCC může případně sloužit jako vývod k napájení dalších součástek systému nebo ukončovací bod pro rezistory stahující na vysokou úroveň. K tomu musí vývod DVCC-SELECT zůstat plovoucí a napětí vnitřního regulátoru LDO 4,5 V se musí připojit k vývodu DVCC. Ze zdroje lze odebírat maximální proud 5 mA. V daném zapojení je DVCC použito k napájení galvanicky oddělené strany ADuM1401.

Vysoce přesných výsledků D/A převodu z 16bitového převodníku je dosaženo za použití vnější napěťové reference. Jedná se o vysoce přesnou, nízkošumovou referenci nízkého příkonu, s nejvyšší počáteční přesností 0,02 %, vynikající teplotní stabilitou a nízkým výstupním šumem.

Obvod, který je zde ukázán, je obzvláště vhodný pro výstupní moduly PLC nebo DCS, které poskytují jak proudové, tak napěťové výstupy a které musí odpovídat normě pro EMC, jako je IEC 61000.

Odkaz:

[1] „AN-1519: 16-Bit, Fully Isolated Output Module Using the AD5422 Single-Chip Voltage and Current Output DAC and the ADuM1401 Digital Isolator.“ Analog Devices, Inc., February 2018.