AD421
16位串行输入4～20mA电流环路输出数模转换器的原理及其应用
北京航空航天大学1-12#(100083) 郭吉祥 郭荣祥
四川英世模拟器件有限公司(610041) 吴星明
摘 要： AD421是美国ADI公司最近推出的一种新器件，它以串行方式输入16位数字信号，经数模转换后以4～20mA电流形式输出。它非常适用于智能变送器的设计，在主控设备与智能变送器之间可同时实现4～20mA模拟通信和在HART协议下的数字信号通信。
关键词：
4～20mA电流环路输出数模转换器 HART协议 智能变送器 ΣΔDAC
1 概述
AD421是美国ADI公司最近推出的一种单片高性能数模转换器(DAC)。它由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入，4～20mA电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制。AD4
21内部含有电压调整器可提供+5V，+33V或+3V输出电压，还含有+125V，+25V基准
电源，均可为其自身或其它电路选用。AD421采用ΣΔDAC结构，保证16位的分辩率和单调
性，其积分线性误差为±0001%，失调误差为±01%，增益误差为±02%。AD421与标准HART电路或其它类似FSK协议的电路完全兼容。标准的三线串行接口可在10Mbps下运行，
便于与通用微处理器或微控制器相连。
图1 AD421引脚图
AD421采用16引脚DIP，TSSOP和SOIC三种封装形式，工作温度为-40～+85℃，其引脚排列见图1。
2 工作原理
AD421主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成，其功能框图如图2所示。
电压调整器由一个运放、带隙基准和外接耗尽型FET调整管构成(见图3)。
电压调整器从电流环路中获取电流，并给AD421及其它器件提供电流。LV端连接的改变使放
大器增益改变，从而改变Vcc脚的电压。当LV接COM时，Vcc为5V；当LV接Vcc时，Vcc为3V；当LV通过001μF电容器接到Vcc时，Vcc为33V(见图3)。
数模转换器在时钟CLOCK作用下，输入移位寄
图2 AD421功能框图
图3 电压调整原理
存器把DATA引脚上的数据逐位读入，LATCH锁存脉冲把寄存器中的数据锁存到DAC中。若在两个锁存脉冲间隔输入16个CLOCK时钟周期，就锁存16位数字信号并完成正常的电流转换。若多于16个时钟周期，只锁存最后输入的17位数据并输出报警电流信号。16位ΣΔDAC经过调制解调器输出的一串位流控制切换的电流源，然后经阻容滤波器，送给电流放大器进行精密放大，从而保证输入数字量与对应电流的单调性。图2中的BOOST脚和Vcc相连，当输入0到满量程时，LOOPRTN脚输出相应的4～20mA电流。
3 应用电路
31 AD421基本连接电路
图4 AD421基本连接电路
在图4中，AD421电压调整器与DN25D调整管一起，给AD421及发送器其它器件供电，V
cc脚接10μF去耦电容，保证调整器输出稳定，并吸收AD421及其它器件产生的尖脉冲。为
了稳定电压调整器中的运放与外部调整管形成的反馈回路，不仅在COMP与DRIVE之间接001
μ
F电容，还要在DRIVE与COM之间接1kΩ电阻和1000pF电容。AD421内部25V基准源REF OUT2脚直接用作REF脚NI输入基准电压，外接一个47μF去耦电容。片内DAC后接时序滤波器，需外
接三个低介质吸收的电容，一般C1=C2=001μF，C3=00033μF。AD421数字接口有三根线，直接与通用微处理器相接，DATA数据在CLOCK时钟上升沿装入，输入移位寄存器，在LATCH锁存控制上升沿装入DAC锁存器。为减少外接DN25D场效应管的功率负载，可在DN25D基础上再接一个NPN型晶体管(如BC639／BC337)构成复合管。FET管给Vcc供电，并且NPN双极型晶体管承担BOOST电流(这可样提高Vcc到DRIVE反馈控制FET回路的稳定性)，环路电流等于流入BOOST和COM电流之和。
32 智能变送器
AD421主要是用在4～20mA智能变送器上。图5是智能变送器典型功能图，其中微处理器可作线性化处理和通信，其中变送器不具有数字通信功能。模数转换器用高分辨率ΣΔADC(如AD7714或AD7715)，这种ADC内部含有一个可编程增益放大器(增益范围是1～128)，将10mV模拟信号直接接到ADC输入端。AD7714/AD7715具有数字校准技术，可用来消除增益误差和失调误差。另外，本底校准技术可消除时间漂移和温度漂移。正常情况下，微控制器从AD77
14／AD7715读数据，处理后从微控制器串行口传送到AD421转换成4～20mA电流，由电流环路送给控制中心。
图5 典型智能变送器框图
33 带HART接口的智能变送器
根据Bell 202通信标准，HART协议使用频移键控(FSK)技术，可在电话线上传送数字信号。
这种技术是把连接现场传感变送器与中心控制系统的4～20mA电流环路上叠加数字信号通信
的1200Hz和2200Hz两个频率分别表示二进制数“1”和“0”，如图6所示。
图6 数字信号的HART传送
模拟器件应用专文
这两个正弦信号以很小电流叠加到直流信号上，而且正弦信号的平均值为0。这样就实现在一般4～20mA直流环路上同时传送模拟和数字信号，而且不管数字信号是否存在，不会在4～20mA直流信号上附加额外的直流成分。因此用一个低通滤波器能有效地滤除数字信号，使得在实现HART协议的一般4～20mA模拟信号测试系统能照常工作。一个单极点的10Hz低通滤波器能把数字信号减小到满量程信号的±001%。带HART接口的智能变送器应用电路如图7所示。HART协议规定，主控系统或便携终端作为主控设备，发送电压信号，从设备或现场设备发送电流信号，电流信号由环路负载电路转换为相应的电压。
变送器用一个低通滤波器和一个调制解调器接收电流环路传送的HART数据，然后送给微控制器的UART或异步串行口。电流环路传送出去的HART数据可由控制器UART或异步串行口发给调制解调器，经过整形，从C3脚耦合到AD421的输出端。耦合电容Cc由波形整形器输出并由AD421的C3决定。
34 可编程电流源
图8是AD421用作电流源的应用电路。AD421的编程电流(4～20mA)在电阻R1上产生压降，这
与R2上压降相等，R1／R2比值决定负载电阻R1上流过的电流IL=〔1+R1／R2〕×I PROG ，其中IL是RL上的负载电流，I PROG
是AD421输出的编程电流。要得到高精度的电流源，接到AD421的电阻R1和R2应该匹配。
有关AD421的详细技术资料及选购业务请与北京市英赛尔器件集团及其所属分公司联系。
参考文献
1 Analog Devices, Inc., LoopPowered 4～20mA DAC, Data sheet, 1996
(收稿日期：19970410)
图7 AD421在HART变送器中应用
图8 AD421在可编程电流源中应用