設計目標

目標

使用變送器 (XTR) 器件從精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 輸出生成 0V 至 10V 的模擬電壓輸出。在輸出中設計了更高的滿標量程設置，以便在需要時進行校準。

設計說明

在該電路中，DAC80501 電壓輸出驅(qū)動 XTR200，以將精密模擬電壓輸出設置為 0V 至 10V 的工作范圍，并具有更大的滿標量程至 14V 以進行校準，或基于 15V 電源的更寬范圍。此電路由 DAC80502-01EVM 及 XTR200EVM 進行構建和測試。XTR200 具有引腳可選模式，可輸出電流或電壓。該電路雖有電壓輸出描述，但也可以在不更改原理圖的情況下配置電流輸出。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 引腳設置為高電平來控制 DAC80501。
2. XTR200 MODE 引腳將器件輸出設置為電壓輸出 (MODE = Lo) 或電流輸出（MODE = Hi）。如果需要兩個輸出，則可以通過微控制器的 GPIO 設置該引腳，如果只需要一種類型的輸出，則可以連接高電平或低電平。通過在 SET 引腳處包含一個接地精密電阻器，可以使用相同的原理圖通過將 MODE 設置為高電平來實現(xiàn)電流輸出。R_SET 的放置方式不會影響 XTR200 在電壓模式下的運行。
3. 在該電路中，DAC80501 由 5V 電源供電。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。
4. 此外，XTR200 MODE 數(shù)字引腳也設計用于 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。
5. 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。
6. DAC80501 及 XTR200 器件都使用靠近相應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。
7. 在該電路中，DAC80501 使用 DAC 的內(nèi)部基準。首次加電時，默認啟用該內(nèi)部基準。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] 設置為 1 來禁用內(nèi)部基準。
8. 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，輸出已達到短路電流限制
   • 負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
9. 該原理圖顯示了 DAC80501Z?！癦”選項的 DAC 代碼默認設置為 0x0000。此器件的“M”選項的默認設置為中標度，DAC 代碼為 0x8000。
10. 如前所述，該電路還可用于模擬電流輸出，而不會發(fā)生變化。使用 DAC80501 和 XTR200 的精密三線電流變送器 中介紹了該功能。

設計步驟

為了在電壓輸出模式下運行，XTR200 MODE 引腳設置為 Lo。在電壓模式輸出中，XTR200 的增益為 3.75。輸出電壓的計算公式如下：

DAC80501 設置為 REF-DIV = 0b 及 BUFF-GAIN = 1b。這些設置在內(nèi)部將基準設置為單位增益并將輸出緩沖器增益增加到二，以將 DAC 范圍設置為 0V 至 5V。在該設置下，XTR200 的輸出電壓計算如下：

在許多工業(yè)應用中，需要 0V 至 10V 的范圍。在該電路中，理論滿量程輸出范圍為 18.75V，具體取決于電源電壓。然而，在這個電路中，XTR200 的電源電壓為 15V。選擇 0V 至 14V 的 XTR200 輸出范圍，DAC 代碼范圍設置為 0x0000 至 0xBF25（48933 十進制）。該代碼決定了輸出電壓的分辨率，約為 286μV/LSB。如果 DAC 不需要高分辨率，則在此應用中可以使用 14 位 DAC70501 或 12 位 DAC60501。

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 XTR200 電壓輸出的 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 DAC 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 設置為 REF-DIV = 0b 和 BUFF-GAIN = 1b。

請注意，規(guī)格表中 ±0.08% 的 DAC80501 (REF-DIV = 0b) 的 TUE 誤差不包括基準誤差或基準漂移。

當基準誤差為 ±0.1%（在 2.5V 基準電壓下為 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，得出以下結果：

從 DAC80501 計算 TUE 后，DAC 誤差可以包含在 XTR200 的 TUE 計算中。XTR200 電壓模式產(chǎn)生誤差的是偏移電壓誤差、偏移電壓漂移、增益誤差、增益漂移誤差及非線性。誤差與 DAC80501 TUE 結合，以確定電壓模式輸出的總 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，最大電壓模式偏移（參考輸出）為 3750μV。該值是最大輸入偏移電壓，乘以 XTR200 增益 3.75。根據(jù) 14V 的滿量程電壓范圍，最大電壓模式偏移電壓會轉(zhuǎn)換為百分比。

漂移誤差基于室溫變化 100°C，最大輸入偏移電壓漂移為 3μV/°C（輸出偏移電壓漂移再次乘以 3.75），電壓增益誤差漂移為 0.5ppm/°C。將分量的值平方并求和。平方根表示電壓輸出的 TUE 值。

插入誤差值后，可計算電壓輸出 TUE 的以下結果：

零代碼誤差

為 DAC80501 輸入 0x0000 的 DAC 代碼不會將輸出剛好設置為 0V。對于單極電源 DAC，零代碼誤差與輸出緩沖器相關。當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 5.6mV 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。當電壓低于 4mV 時，XTR200 的輸出電壓是非線性的。該值列為輸出電壓線性范圍的下限。

無論如何，電路都會使用 256d 至 48934d 的 DAC80501 數(shù)據(jù)代碼進行測試，以根據(jù)電路電源電壓將端點限制在有限范圍內(nèi)。對于 XTR200，下端點表示輸出電壓為 19.5mV，而上端點表示 14V。

測量結果

該電路使用 DAC80502-01EVM 及 XTR200EVM 構建。DAC80502-01EVM 設置成使用從 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 = Lo 的電壓輸出模式下，從 DAC 代碼到輸出電壓的測量傳遞函數(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 48934d 計算得出。

下表顯示了相對于構建電路的總增益誤差、偏移電壓及非線性度測量值。

寄存器設置

此應用的 DAC80501 設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置 DAC80501 及 XTR200 以實現(xiàn)電壓輸出所需的步驟。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 進行通信的選項。

Configure the SPI communication of the microcontroller to SPI mode 1 (CPOL = 0, CPHA = 1);
// Voltage mode
{Set microcontroller GPIO output to set MODE pin Lo 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 0x040001; 
    // DAC80501 output range 0V to 5V
    // Set DAC REF-DIV = 0b [8], BUFF-GAIN = 1b [0] in GAIN register
    // DAC output full-scale range set to reference voltage × 2
Set CS to device Hi;
}
// Set DAC80501 Data Code
{Set CS to device Lo; 
    Send 24 SCLKs, Write 0x088888; 
    // Write DAC output code to 0x8888 (34952d), sets output voltage to 10V
Set CS to device Hi;
}

設計中采用的器件

使用參數(shù)搜索工具查找其他可能的器件。

設計參考資料

有關 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
• 德州儀器 (TI)，使用 DAC80501 和 XTR200 的精密三線電流變送器

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