电路功能与优势

图1所示电路是一款适合过程控制应用的完全可编程通用模拟前端(AFE)。它支持下列输入：2/3/4线RTD配置、带冷结补偿的热电偶输入、单极性和双极性输入电压、4 mA至20 mA输入。

如今，许多模拟输入模块使用线链路（跳线）来配置客户输入要求，配置和重新配置输入需要时间、知识和手动干预。本电路提供一个用来配置工作模式的软件可控开关以及用来激励RTD的恒流源。本电路也可以重新配置，以便设置热电偶配置的共模电压。一个差分放大器用来调理Σ-Δ ADC的模拟输入范围。本电路以最低的成本提供业界领先的性能。

由于AD8676 和 AD8275提供电压增益，因此该设计特别适合小信号输入、所有类型的RTD或热电偶。

AD7193 是一款24位Σ-Δ型ADC，可配置为四路差分输入或八路伪差分输入。ADuM1400  和 ADuM1401在微控制器与ADC之间提供所需的全部信号隔离。本电路还含有标准外部保护功能，符合IEC  61000标准。 

电路描述

本电路针对过程控制应用提供一款完全可编程的通用模拟前端(AFE)，支持2/3/4线RTD配置、带冷结补偿的热电偶输入、单极性和双极性输入电压、4 mA至20 mA输入，如图2的配置图所示。

串行控制的8通道单刀单掷开关  ADG1414用于配置选定的测量模式。

电压测量

本电路支持最高达±10 V的单极性和双极性信号测量。输入信号先通过一个信号调理级，然后由AD7193 ADC执行转换。AD8676放大器缓冲输入信号，然后由增益级放大。AD8275用来对输入信号进行电平转换，并提供增益，使其符合AD7193的输入范围。与REF引脚相连的共模电压用来偏置AD8275的输出。此电压由4.5  V精密基准电压源 REF194 产生。

RTD测量

如连接表所示，本电路支持2/3/4线RTD配置。此时，传感器是一个1000 Ω铂(Pt) RTD（电阻温度检测器）。最精确的配置是4引脚RTD配置。在所示的应用中，外部200μA电流源提供RTD所需的激励电流，AD7193在16倍增益下工作，使电路的动态范围达到最大。选择RTD测量模式时， AD8617 放大器被配置为电流源。选择热电偶测量时，它在闭环中重新配置，以便设置共模电压。AD8617是一款双通道低噪声放大器，因此它能同时驱动电路板上的两个输入通道。配置电流源的电阻必须具有低温度系数，以免在测量电路中引入温漂误差。

热电偶测量

在热电偶应用中，以ADC外部的绝对基准电压为基础来测量热电偶所产生的电压。冷结补偿利用16位温度传感器ADT7310 实现。因为热电偶的信号较小，同时为使电路的动态范围达到最大，所以AD7193在128倍的最高增益下工作。输入通道具有缓冲功能，因此需要时可将大去耦电容置于前端，以便于消除可能出现在热电偶引脚上的噪声影响。热电偶测量所用的共模电压由放大器AD8617提供。

4 mA至20 mA电流测量

本电路还支持4 mA至20 mA电流测量。利用片上检测电阻将电流转换为电压。为在电流测量模式下使用ADC的全部动态范围，使用一个200 Ω电阻。该检测电阻必须具有低温度系数，以免在测量电路中引入温漂误差。

稳压器和基准电压源的选择

本电路选择 ADP1720 作为5 V稳压器。

ADP1720是一款高压微功耗线性稳压器，特别适合工业应用。本电路选择4.5 V REF194作为基准电压源，E级器件在25°C时的初始精度为±2 mV，最大温漂为5 ppm/°C。它是一款低压差器件，功耗小于45 μA，额定工作温度范围为−40°C至+125°C。

隔离

ADuM1400和ADuM1401是基于ADI公司 iCoupler® 技术的四通道数字隔离器，用来在现场端与系统微控制器之间实现隔离，隔离额定值为2.5 kV rms。ADuM1400使用4条线，全部用于发送数据（SCLK、DIN、ADG1414、ADT7310）。ADuM1401也使用4条线，1条线用于发送数据( AD7193)，3条线用于接收数据（INT1、INT2、DOUT）。DIN、DOUT和SCLK线连接到SPORT接口。

该设计还包括外部保护功能，如标准保护二极管和瞬变电压抑制器（TVS器件）等，用以增强电路的鲁棒性。更多信息参见CN0209设计支持包中的原理图和其它资源：http://www.analog.com/CN0209-DesignSupport。

表1显示了其它模式下基于1000个ADC数据采样点的性能。

图3显示配置为双极性输入模式并且输入接地时AD7193输出性能的直方图。该直方图显示了等效输入噪声的影响。这种模式实现的有效分辨率为19.2位。

解决方案框图