簡介

在為可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統（DCS）模塊等過程控制應用設計模擬輸入模塊時，所考慮的主要權衡通常是性能與成本。在這個應用空間中存在一種傳統，即使用雙極性±15 V電源軌來提供用于衰減或增益輸入信號的有源前端組件。這會影響材料清單（BOM）的成本，并且通過創建隔離的雙極電源會增加設計的復雜性。為了節省成本，另一種方法是使用單個5 V電源進行架構。單個5 V電源軌大大降低了模擬前端隔離電源設計的復雜性。但是，它可能會引入其他痛點，并可能導致精度較低的測量解決方案。 AD4111具有電壓和電流測量所需的大量集成，并解決了5 V電源解決方案的局限性。

集成前端

AD4111是一款24位Σ-ΔADC，通過實現創新而簡單的信號鏈，縮短了開發時間和設計成本。利用ADI公司專有的 i Passive ?技術，它集成了模擬前端和ADC。這使得AD4111能夠接受±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入，同時在單個5 V或3.3 V電源下工作，無需外部元件。電壓輸入指定為±20 V的超量程，此時器件仍可提供有效轉換，并在電壓引腳上提供±50 V的絕對最大值。電流輸入指定為-0.5 mA至24 mA的范圍，可實現接近0 mA的精確電流測量，并提供精確的24 mA轉換。 AD4111的電壓輸入保證最小阻抗為1MΩ。這樣可以去除±15 V外部緩沖器，進一步減少電路板空間和BOM成本。 5 V設計受限于每個電壓輸入具有高阻抗分壓器的要求，其使用更多的電路板空間。離散解決方案的設計成為精密電阻器成本和精度之間的折衷。為了解決這個問題，AD4111在每個輸入端采用了高阻抗，精密的分壓器，如圖3所示。

開路檢測

通常，單個5 V設計的限制是缺少開路檢測，通常使用高阻抗電阻實現15 V電源軌以拉開連接到超出范圍的電壓。 AD4111具有獨特的開路檢測功能，采用5 V或3.3 V電源，可以克服這一問題。這將開路檢測與超出范圍的故障分開，進一步簡化了診斷。通過在AD4111內部包含此功能，前端需要一個上拉電阻，因此也消除了對15 V電源的需求，如圖2所示。消除±15 V電源可降低隔離電路的復雜性，面積和發射。對于不需要開路檢測的應用，可以使用替代通用AD4112。這部分具有AD4111的所有優點，但沒有開路檢測。

系統級解決方案

AD4111集成了電壓基準和內部時鐘有助于減少電路板尺寸和BOM成本進一步提高，同時允許使用外部元件，如果需要更高的精度和更低的溫度誤差轉換。圖2和圖3分別顯示了典型的高端和低端解決方案。圖2和圖3中突出顯示的信號鏈的比例可以完全被AD4111取代。 AD4111的總不可調整誤差（TUE）精度規范旨在達到系統級要求。對于許多解決方案，精度可能足以消除對任何額外校準的需要。在現有的高精度解決方案中，通常每個通道校準模塊。 AD4111采用高度匹配的輸入設計，因此校準一個輸入可在所有輸入上提供類似的精度。

EMC測試

PLC和DCS模塊通常在惡劣的工業環境中運行，并且必須承受電磁干擾（EMI）條件。在設計具有電磁兼容性（EMC）功能的輸入模塊時，這會增加更高的復雜性，因為大多數設備不適用于EMC，因此設計輸入保護和濾波電路變得復雜。這可以在設計和測試方面為開發增加大量時間。 EMC實驗室租金昂貴，測試失敗可能意味著長時間延遲，直到電路板可以重新設計和重新測試。 AD4111采用印刷電路板（PCB）設計，具有成熟的EMC解決方案。該電路板的特點是確保電路性能不會受到輻射射頻（RF）或傳導RF干擾的永久影響，并且已被證明具有足夠的抗靜電放電（ESD），電快速瞬變（EFT）和浪涌的能力。符合IEC 61000-4-x標準。它還針對CISPR 11進行了評估，其中電路板的輻射發射遠低于A類限值。有關AD4111 EMC PCB的更多信息，請參見AN-1572。本應用筆記詳細介紹了所使用的測試程序的所有必要信息，以及為AD4111設計EMC驗證輸入模塊的電路板設計原理圖和布局。

結論

AD4111是具有高集成度的系統級ADC，包括全面的可配置性。它具有±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入的能力，采用5 V或3.3 V單電源供電，具有開路檢測功能及其許多其他功能，為模擬輸入模塊設計提供了獨特的解決方案。它采用6 mm×6 mm，40引腳LFCSP封裝，使曾經需要完整復雜PCB的模塊現在可以由單個器件替代。