В промышленных системах часто требуется реализовать изолированное цифровое управление модулями вывода аналоговых сигналов. В статье описано решение на основе интегрированного изолятора цифровых сигналов для управления прецизионным 16‑разрядным ЦАП с токовым выходом и выходом по напряжению.

Для управления различными процессами, машинами и системами на производстве сегодня повсеместно применяют программируемые логические контроллеры (ПЛК) или распределенные системы управления (РСУ), к которым подключаются различные устройства. ПЛК и РСУ обычно оснащаются модулями с токовыми выходами, выходами по напряжению или их комбинацией, с помощью которых обеспечивается контроль этих устройств. Промышленные модули управления перекрывают стандартные диапазоны выходного аналогового напряжения и тока ±5 В, ±10 В, 0…5 В, 0…10 В, 4…20 мА и 0…20 мА. Часто, особенно в промышленных системах, требуется обеспечить гальваническую развязку микроконтроллера и выходных периферийных устройств.
Классическое решение — обеспечить преобразование цифровых сигналов от микроконтроллера в аналоговые и реализовать гальваническую развязку на основе дискретных компонентов. Однако дискретная реализация по сравнению с интегрированным решением имеет множество недостатков. В частности, большое количество компонентов повышает сложность системы, приводит к увеличению габаритов платы и стоимости. Есть также дополнительные факторы, такие как возможность короткого замыкания или обнаружения неисправностей в схеме, которые делают все эти недостатки решающими.
Лучшее решение — интегрировать как можно больше функций на одном кристалле, как это сделано, например, в AD5422, прецизионном 16‑разрядном ЦАП от компании Analog Devices. Помимо реализации цифро-аналогового преобразования, этот компонент также содержит полностью интегрированный программируемый источник тока и программируемый выход по напряжению и соответствует, таким образом, требованиям к системам для управления производственными процессами.

На рис. 1 показан пример схемы для реализации полностью изолированного управления аналоговым выходным каскадом модуля вывода. Это решение, в частности, подходит для ПЛК и модулей РСУ в приложениях для управления технологическим процессом, требующих стандартных диапазонов выходных токов от 4 до 20 мА, униполярного или биполярного выходных напряжений. AD5422 используется в этой схеме в комбинации с четырехканальным модулем цифровой развязки ADuM1401.
Выходы 16‑разрядного ЦАП AD5422 конфигурируются через последовательный периферийный интерфейс (SPI). Модуль оснащен также встроенными диагностическими функциями, которые могут быть полезны в промышленных условиях. Требуемое сопротивление изоляции между микроконтроллером и ЦАП достигается с помощью ADuM1401, четыре канала которого используются для подключения по SPI к AD5422: три канала (LATCH, SCLK и SDIN) передают данные, а четвертый (SDO) — принимает данные.
В промышленных приложениях весьма важно предусмотреть надежные выходы, устойчивые к высоким напряжениям помех. Требования к надежности изложены в таких стандартах, как IEC 61 000, который определяет, например, требования в отношении электромагнитной совместимости (ЭМС). Для соответствия этим стандартам необходимо наличие дополнительных внешних цепей защиты на выходах. Один из вариантов схемы защиты показан на рис. 2.

Токовый выход (Iout) можно избирательно запрограммировать в диапазоне 4…20 мА или 0…20 мА. Выходное напряжение обеспечивает отдельный вывод VOUT, который можно настроить для различных диапазонов напряжения: 0…5 В, 0…10 В, ±5 В или ±10 В. Выход за пределы диапазонов напряжения составляет 10%. Оба аналоговых выхода имеют защиту от короткого замыкания и от обрыва цепи, могут управлять емкостными нагрузками до 1 мкФ и индуктивными нагрузками до 50 мГн.
Для AD5422 требуется аналоговое питание (AVDD) в диапазоне от 10,8 до 40 В и цифровое питание (DVCC) в диапазоне от 2,7 до 5,5 В. В качестве альтернативы вывод DVCC можно использовать для питания других компонентов в системе или для подключения подтягивающих резисторов. Для этого вывод DVCC_SELECT нужно оставить плавающим, а напряжение от внутреннего LDO-стабилизатора, равное 4,5 В, следует подать на вывод DVCC. Максимально доступный ток питания составляет 5 мА. На показанной схеме DVCC используется для питания гальванически развязанной стороны ADuM1401.
Высокоточного преобразования с помощью 16‑разрядного ЦАП можно достичь, используя внешний источник опорного напряжения ADR4550. Это прецизионный, маломощный, малошумящий источник опорного напряжения с максимальной начальной точностью 0,02%, который отличается высокой температурной стабильностью и низким уровнем шума на выходе.
Представленная в статье схема лучше всего подходит для модулей вывода ПЛК или РСУ, которые обеспечивают выходы как по току, так и по напряжению и должны соответствовать требованиям стандартов по ЭМС, таким как IEC 61 000.
По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте analog@eltech.spb.ru.

ЛИТЕРАТУРА
1. 16-Bit, Fully Isolated Output Module Using the AD5422 Single-Chip Voltage and Current Output DAC and the
2. ADuM1401 Digital Isolator. — AN‑1519 Analog Devices, Inc., February 2018.