設(shè)計目標(biāo)

目標(biāo)

使用變送器 (XTR) 器件從精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 輸出生成 0mA 至 20mA 的模擬電流輸出。在輸出中設(shè)計了更高的滿標(biāo)量程設(shè)置，以便在需要時進(jìn)行校準(zhǔn)。

設(shè)計說明

在該電路中，DAC80501 電壓輸出驅(qū)動 XTR200，以將精密模擬電流輸出設(shè)置為 0mA 至 20mA 的工作范圍，并將更大的滿標(biāo)量程設(shè)置為 20.833mA 以進(jìn)行校準(zhǔn)。XTR200 使用精密 1.2kΩ 電阻器來精確地設(shè)置電流范圍。此電路使用 DAC80502-01EVM 及 XTR200EVM 進(jìn)行構(gòu)建和測試。XTR200 具有引腳可選模式，可輸出電流或電壓。以下電路被描述為電流輸出，但也可以配置為電壓輸出而無需更改原理圖。該簡單電路用于執(zhí)行器及可編程邏輯控制器 (PLC) 等模擬輸出的工業(yè)自動化和過程控制。

規(guī)格

設(shè)計說明

1. 繪制的示例電路供微控制器通過 SPI 通信配置 DAC80501，以設(shè)置 DAC 輸出電壓。如果需要，可以采用 I²C 協(xié)議，通過將 SPI2C 引腳設(shè)置為高電平來控制 DAC80501。
2. XTR200 MODE 引腳將器件輸出設(shè)置為電流輸出（MODE = Hi）或電壓輸出（MODE = Lo）。如果需要兩個輸出，則可以通過微控制器的 GPIO 設(shè)置該引腳，如果只需要一種類型的輸出，則可以連接高電平或低電平。通過設(shè)置 MODE = Lo，可以使用相同的原理圖實現(xiàn)高范圍電壓輸出。
3. XTR200 SET 引腳通過精準(zhǔn)電阻器接地。在電流模式下，該精密電阻器會調(diào)節(jié)電流電平。如果此電路也用于電壓模式，則該電阻器未使用，但可以保留在電路中。
4. DAC80501 由 5V 電源供電。如果只需要電流輸出，則可以將 3.3V 用于 DAC80501 電源。
5. 使用 5V 電源時，DAC80501 數(shù)字輸入引腳支持 3.3V 工作電壓。V_IH 電壓為 1.62V，V_IL 為 0.45V。DAC80501 沒有用來讀回寄存器配置的 SDO 引腳。
6. 此外，XTR200 MODE 數(shù)字引腳也設(shè)計用于 3.3V 運行。請注意，V_IH 電壓電平為 1.65V，V_IL 電壓為 0.8V。MODE 引腳的內(nèi)部上拉電流為 4μA。
7. 該電路中的 XTR200 顯示成使用 15V 電源。不過，該器件可在 8V 至 60V 的電源電壓下提供更大的電壓范圍。
8. DAC80501 及 XTR200 器件都使用靠近相應(yīng)電源引腳的去耦電容器。DAC80501 在 VDD 引腳上使用 100nF 電容器，而 XTR200 在 VSP 引腳上使用該電容器。為 DAC80501 使用額定電壓為 10V 或更高的去耦電容器，并為 XTR200 使用額定電壓為 25V 或更高的去耦電容器。
9. 在該電路中，DAC80501 使用 DAC 的內(nèi)部基準(zhǔn)。首次加電時，默認(rèn)啟用該內(nèi)部基準(zhǔn)。VREFIO 引腳在引腳附近使用另一個 100nF 去耦電容器。如果需要外部基準(zhǔn)來實現(xiàn)更高的精度，請在 VREFIO 引腳上串聯(lián)一個 1kΩ 電阻器，以減少電流爭用并在啟動后通過將 CONFIG 寄存器 (0x03) 中的 REF_PWDWN 位 [8] 設(shè)置為 1 來禁用內(nèi)部基準(zhǔn)。
10. XTR200 具有一條內(nèi)部電路，可檢測器件中的錯誤狀態(tài)。在 EF 引腳上檢測到的警報條件指示器件是否存在以下電路故障之一：
    • 在電壓輸出模式下，輸出已達(dá)到短路電流限制
    • 負(fù)載電壓和電源電壓之間沒有足夠的余量來實現(xiàn)正確的電壓或電流輸出，僅在輸入電壓大于 350mV 且電源電壓大于 10V 時可檢測到
    • 在電流輸出模式下，輸出為開路，僅當(dāng)輸入電壓電源電壓大于 10V 時可檢測到
    • SET 引腳電流短路或超過輸出短路電流限制的 1/10
    • 電源電壓低于 8V
    • 芯片溫度超過 150°C
11. 該原理圖顯示了 DAC80501Z?！癦”選項的 DAC 代碼默認(rèn)設(shè)置為 0x0000。此器件的“M”選項的默認(rèn)設(shè)置為中標(biāo)度，DAC 代碼為 0x8000。
12. 如前所述，該電路還可用于模擬電壓輸出，而不會發(fā)生變化。使用 DAC80501 和 XTR200 的精密三線模擬電壓輸出變送器 中介紹了該功能。

設(shè)計步驟

對于在電流輸出模式下運行，XTR200 MODE 引腳設(shè)置為高電平。輸出電流的公式如下：

DAC80501 可以將輸入電壓設(shè)置為 XTR200。DAC CONFIG 寄存器設(shè)置為 REF-DIV = 1b 及 BUFF-GAIN = 1b。這些設(shè)置在內(nèi)部將基準(zhǔn)除以二，將輸出緩沖器增益增加到二，以將 DAC 范圍設(shè)置為 0V 至 2.5V。XTR200 在 SET 引腳上使用具有高精度及低漂移的精密 1.2kΩ 電阻器。此 R_SET 電阻器可設(shè)置電流輸出。DAC 輸入電壓范圍及電阻器值決定了最終的電流輸出范圍。

該輸出為標(biāo)稱值，校準(zhǔn)可用于精確設(shè)置輸出。可以使用以下公式根據(jù) DAC 代碼計算 XTR 的輸出電流：

在這種配置下，20.833mA 范圍的 LSB 大小為 0.32μA。如果需要不同的電流范圍，XTR200 上的 SET 電阻器可以調(diào)整為與前一個公式不同的值。如果 DAC 不需要高分辨率，則在此應(yīng)用中可以使用 14 位 DAC70501 或 12 位 DAC60501。

DAC80501 的可選設(shè)置是設(shè)置 REF-DIV = 0b 和 BUFF-GAIN = 1b，以使基準(zhǔn)增益為 1，并使輸出緩沖器增益為 2。該配置將 DAC 滿量程電壓設(shè)置成 5V。然后將 SET 電阻器設(shè)置為 2.4kΩ，以保持輸出電流范圍。但請注意，5V 范圍取決于 DAC 電源。如果電源減少 10%，則在選擇 SET 電阻器時必須考慮這種額外變化，以避免 DAC 輸出余量限制。在本節(jié)第一部分所述的設(shè)置（使用 REF-DIV = 1b 將基準(zhǔn)除以二）中，DAC 輸出不會因輸出緩沖器的電源余量而降低。

TUE 分析

總體未調(diào)整誤差 (TUE) 通過對總輸出誤差的影響誤差的平方和根加法計算得出。此計算通常由增益誤差、增益誤差漂移、偏移電壓誤差、偏移電壓誤差漂移及非線性誤差組成。有關(guān) XTR200 電流輸出的 TUE 分析，請先從 DAC80501 輸出的 TUE 計算開始。

DACx0501 具有精密內(nèi)部基準(zhǔn)的 16 位、14 位和 12 位 1LSB INL 電壓輸出 DAC 數(shù)據(jù)表方便地指定了 DAC80501 的 TUE 誤差，并在電氣特性 表中將這些誤差合并為一個最大值。對于該電路，DAC 設(shè)置為 REF-DIV = 1b 和 BUFF-GAIN = 1b。該器件采用 WSON-8 封裝，其比 VSSOP 封裝的 TUE 誤差略小。

請注意，規(guī)格表中 ±0.06% 的 DAC80501 (REF-DIV = 1b) 的 TUE 誤差不包括基準(zhǔn)誤差或基準(zhǔn)漂移。要計算 DAC 中的總誤差，請對這些誤差進(jìn)行平方和根加法。

當(dāng)基準(zhǔn)誤差為 ±0.1%（在 2.5V 基準(zhǔn)電壓下為 2.5mV）且漂移為 ±0.05%（從 25°C 到 125°C，100°C 以上 5ppm/°C，與室溫的最大漂移）時，得出以下結(jié)果：

從 DAC80501 計算 TUE 后，DAC 誤差可以包含在 XTR200 的 TUE 計算中。XTR200 電流模式造成的誤差是偏移電流誤差、偏移電流漂移、跨度（增益）誤差、跨度漂移誤差、非線性以及 R_SET 的誤差。誤差與 DAC80501 TUE 結(jié)合，以確定電流模式輸出的總 TUE。

在 XTR200 精密 3 線電流和電壓變送器 數(shù)據(jù)表電氣特性 表中，最大電流模式偏移為 14μA。根據(jù) 20.833mA 滿量程電流范圍，此值會轉(zhuǎn)換為百分比。漂移誤差基于室溫變化 100°C，偏移的最大漂移為 60nA/°C，增益誤差漂移為 2ppm/°C。將分量的值平方并求和。平方根表示電流輸出的 TUE 值。

插入誤差值后，可計算電流輸出 TUE 的以下結(jié)果：

零代碼誤差

為 DAC80501 輸入 0x0000 的 DAC 代碼不會將輸出剛好設(shè)置為 0V。對于單極電源 DAC，零代碼誤差與輸出緩沖器相關(guān)。當(dāng)輸出緩沖器無法將輸出驅(qū)動至 0V 時，就會產(chǎn)生此端點錯誤。對于 DAC80501，零代碼誤差最大為 1.5mV。該電壓表示 XTR200 的 12.5μA 輸出。

如果使用具有較低零代碼誤差的不同 DAC，則 XTR200 在 0V 輸入附近有額外的限制。當(dāng)電流低于 10μA 時，XTR200 的電流輸出是非線性的。該值列為輸出電流線性范圍的下限。

無論如何，電路都會使用 256d 至 65535d 的 DAC80501 數(shù)據(jù)代碼進(jìn)行測試，以作為端點限制，如數(shù)據(jù)表中電氣特性 表的注釋所述。下端點表示 XTR200 的 81μA 輸出電流，而上端點表示 20.833mA。

測量結(jié)果

該電路使用 DAC80502-01EVM 及 XTR200EVM 構(gòu)建。DAC80502-01EVM 設(shè)置成使用從 USB 電源獲取的 5V VDD 電源。XTR200EVM 由外部 15V 電源在 VSP 上供電。使用 Agilent? 34410A 執(zhí)行測量。下圖顯示了在 MODE = Hi 時的電流輸出模式下，從 DAC 代碼到輸出電流測得的傳遞函數(shù)：

通過輸出范圍的測量值計算并且繪制非線性度。端點時基故障根據(jù) DAC 代碼 256d 至 65535d 計算得出。

下表顯示了相對于構(gòu)建電路的總增益誤差、偏移電壓及非線性度。

寄存器設(shè)置

此應(yīng)用的 DAC80501 設(shè)置的寄存器映射如下表所示。

偽代碼示例

以下偽代碼序列顯示了設(shè)置 DAC80501 及 XTR200 以實現(xiàn)電流輸出所需的步驟。這些示例示出了使用 SPI 通信的 DAC 配置。請注意，DAC80501 具有使用 I²C 進(jìn)行通信的選項。

Configure the SPI communication of the microcontroller to SPI mode 1 (CPOL = 0, CPHA =1 );
// Current mode
{Set microcontroller GPIO output to set MODE pin Hi for the XTR200; 
}
// Internal reference and DAC output are enabled at start by default
// If using external reference, add series 1kΩ resistance at VREFIO to reduce contention current
// and disable internal reference, else skip this step
{Set CS to device Lo; 
    Send 24 SCLKs, Write 0x030100; 
    // Set DAC REF_PWDWN = 1b [8] in CONFIG register, disables internal reference
    // DAC output can also be disabled in this register with DAC_PWDWN = 1b [0]
Set CS to device Hi;
}
// Configure DAC80501 output gain
{Set CS to device Lo; 
    Send 24 SCLKs, Write 0x040101; 
    // DAC80501 output range 0V to 2.5V
    // Set DAC REF-DIV = 1b [8], BUFF-GAIN = 1b [0] in GAIN register
    // DAC output full-scale range set to reference voltage
Set CS to device Hi;
}
// Set DAC80501 Data Code
{Set CS to device Lo; 
    Send 24 SCLKs, Write 0x083127; 
    // Write DAC output code to 0x3127 (12583d), sets output current to 4mA
Set CS to device Hi;
}

設(shè)計中采用的器件

使用參數(shù)搜索工具查找其他可能的器件。

設(shè)計參考資料

有關(guān) TI 綜合電路庫的信息，請參閱模擬工程師電路說明書。

其他資源

• 德州儀器 (TI)，DAC80502-01 評估模塊用戶指南
• 德州儀器 (TI)，XTR200 評估模塊用戶指南
• 德州儀器 (TI)，使用 XTR200 簡化 4-20mA 電流和電壓輸出 3 線變送器產(chǎn)品概述
• 德州儀器 (TI)，使用 DAC80501 和 XTR200 的精密三線模擬電壓輸出變送器 中介紹了該功能

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