片上诊断功能:来自模拟设备的单通道16位DAC

在本文中，我们将看一看Analog Devices AD5758，它是一个具有动态功率控制和HART连接的单通道DAC。

在工业自动化和过程控制中，我们需要能够驱动多种负载的数模转换器(dac)。的AD5758.是一个16位DAC，可以为这些工业应用产生电流和电压模式输出。我可以说，该设备实际上结合了工业电流/电压输出驱动器，如AD5750.，具有具有许多诊断功能的通用DAC核心。这是为了促进典型工业系统的设计和诊断。

AD5758采用动态功率控制(DPC)来降低片内功耗。这种功率最小化，反过来又使设备安全运行的温度最大化。AD5758支持公路可寻址远程传感器（HART）连通性。这是一个协议，用于通过遗留的4-20 mA模拟仪器电流环路传输额外信息(见YouTube视频)更多关于HART的信息)。此外，该设备还包括一些诊断功能，如看门狗定时器、开路/短路检测、SPI循环冗余检查和集成模数转换器来监控芯片内的几个不同参数。

让我们来看看AD5758的数据表。

功能框图

AD5758的功能框图如下图1所示。

图1所示。图片由模拟设备。

在其余的文章中，我们将看一下上图中所示的一些最重要的块。

什么是动态功率控制？

动态功率控制（DPC）是一种最大限度地减少DAC输出级散发的片上功率的技术。该技术在工业系统中特别有用，其中DAC可用于驱动各种负载。例如，假设理想的DAC必须向最多20 mA的电流提供，该负载可以从100 $$ \ OMEGA $$到1 $$ k \;\ omega $$。这两种情况如图2所示。

图2。图片由模拟设备。

理论上，我们可以通过找出负载上的最大电压降$$20 \来找到系统的最小供电电压;mA \ * 1 k \;\Omega = 20 \;V $ $。在图中所示的两种情况下，DAC输出提供的电源电压和电流是相同的。假设我们假设的DAC只吸收与电源电压传递给负载的电流相同的量。因此，电源提供的总功率为$$V \乘以I=20 \;V \ * 20 \;mA = 0 \;W$$到系统。

总功率中有多少消耗在负载中，又有多少消耗在DAC本身中?与$$1-k \Omega$$负载，所有的电力被交付到负载。然而，当负载减少到$$100 \;ω $$，在负载中耗散的功率仅$$0.04 \;W美元美元。因此,$ $ 0.4 \;W - 0.04 \;W = 0.36 \;W$$将被消耗在DAC中。正如您所看到的，较小的负载可以导致较大的芯片功耗。 This can increase the chip temperature to beyond the recommended levels.

为了减少片上功耗，DPC技术在DAC驱动小负载时动态地降低了电源电压。这是通过集成一个片上DC-to-DC转换器来实现的。这个概念如图3所示。

图3。图片由模拟设备。

如图4所示，仅需要几个分立的组件来操作AD5758的DC-DC转换器。在此图中，$$ av_ {dd1} $$是DC-to-DC转换器的电源，$$ v_ {dpc +} $$是否可调节轨道用于操作DAC输出缓冲区。如图1的框图所示，$$ v_ {dpc +} $$转到电流和电压模式输出电路。

图4。图片由模拟设备。

灵活的输出范围

AD5758有一个16位DAC核心，它位于图1的框图的中心。这个核心的输出可以在$$VI_{OUT}$$引脚上转换为电流或电压信号。注意，同一时间只能启用一种模式。该设备为每一种电流和电压输出模式提供了几个可编程范围。例如，一些支持的电流范围是0 mA到20 mA, 0 mA到24 mA, 4 mA到20 mA, 20 mA。电压输出模式也有几个范围。请参阅数据表获取详细信息。这些可编程范围使我们能够处理工业系统可能需要的各种电压和电流。

电流输出模式

当选择电流输出模式时，采用如图5所示的电压-电流转换器。

图5。图片由模拟设备。

有趣的是，图5中所示的示意图（以及稍后将讨论的电压输出电路）与所用的相同AD5750.这是一个具有可编程范围的工业电流/电压输出驱动器。AD5750的框图如图6所示。

图6。AD5750的框图。图片由模拟设备。

正如您所看到的，AD5758实际上结合了一个工业电流/电压输出驱动器，即AD5750，一个通用DAC和一些其他特性，这将在本文的其余部分中讨论。

注意图5和1中的两个销售$$ r_a $$和$$ r_b $$。这两个引脚允许我们使用外部电流设置电阻而不是内部$$ r_ {set} $$。使用低漂移外部电阻可以提高DAC输出电流的稳定性在温度变化上。

电压输出模式

电压模式输出的图表如图7所示。

图7。图片由模拟设备。

如图所示，在电压模式下，核心DAC的输出被缩放并应用到输出缓冲器。当需要遥感负载时，两个输入$$+V_{SENSE}$$和$$-V_{SENSE}$$是有用的。它们允许我们预测并补偿与远程负载相关的任何电压下降。请参阅第36页数据表有更多细节。

哈特连接

AD5758支持HART通信协议。HART连接由$$ C_ {HART} $$引脚提供，连接到图1中的当前模式缓冲器的输入。什么是HART通信？

HART协议允许我们在同一对电线上发送模拟和数字信号。作为4 mA至20mA电流的模拟信号传送了过程变量的测量值，例如压力传感器的输出值。数字信号基于频移键控（FSK）调制。它使用具有1200 Hz和2200 Hz频率的AC信号，分别表示逻辑高和逻辑低。如图8所示，数字信号叠加在模拟电流信号上。

图8。图片由模拟设备。

数字信号可用于传输各种类型的数据，例如标记名或校准设置或传感器诊断。看到这一点YouTube视频有关HART的更多详细信息。

诊断特征

AD5758包括多个诊断功能，如看门狗定时器，电压输出短路保护，电流输出开路检测，SPI循环冗余检查等。参考此模拟设备文档要读取关于使用看门狗定时器在系统微控制器和AD5758之间的通信丢失时安全控制系统。

与它的前辈相比，AD5758提供了更广泛的诊断功能。这些新功能之一是集成的12位诊断模数转换器(ADC)，可以用于监控芯片内的几个不同参数。这个ADC的输入是用户可选择的，可以是参数，如电源，接地，内部模具温度，参考，和外部信号。

评估板

模拟设备公司开发了一种评估板AD5758，如图9所示。

图9。AD5758的评估板。图片由模拟设备。

在这篇文章中，我们介绍了AD5758的一些最重要的特性。如果您有此工业DAC或其他类似部件的任何经验，请在下面的评论中让我们知道。