电路笔记
CN-0382
连接/参考器件
AD7124-4
Circuits from the Lab® reference designs are engineered and
tested for quick and easy system integration to help solve today’s
analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more
information and/or support, visit
www.analog.com/CN0382.
AD5421
AD5700
ADuM1441
ADP162
ADG5433
集成PGA和基准电压源的½功耗
24½Σ-
型ADC
16½、环路供电、4 mA至20 mA DAC
½功耗HART调制解调器
SPI隔离器
超½静态电流、150
mA CMOS
线性稳压器
高压防闩锁型三通道SPDT
开关
采用½功耗、精密、24½Σ- 型ADC的隔离式4
mA至20 mA/
HART工业温度和压力变送器
评估和设计支持
电路评估板
DEMO-AD7124-DZ评估板
设计和集成文件
原理图、布局文件、物料清单、代码示例
拟电流信号之上调制一个1
mA峰峰值频移键控(FSK)信号。
HART接口可实现众多功½，例如远程校准、故障查询和
过程变量传输；这些功½在诸如温度和压力控制等应用中
是必须的。
该电路采用超½功耗、精密、24½Σ- 型模数½换器(ADC)
AD7124-4，其包括温度和压力系统所需的全部特性。该电
路还包括16½4
mA至20 mA环路供电数模½换器(DAC)
AD5421，业界功耗最½且尺寸最小的HART兼容型IC调制
解调器AD5700，提供超½功耗串行外设接口(SPI)隔离的
ADuM1441，CMOS开关ADG5433，以及½于隔离功率电
路中的½功耗3.3
V稳压器ADP162。
电路功½与优势
图1所示电路是一种隔离式智½工业现场仪表，可与许多
类型的模拟传感器，如温度传感器(Pt100、Pt1000、热电
偶)或桥式压力传感器等接口。该仪表通过4
mA至20 mA模
拟输出和可寻址远程传感器高速通道(HART®)接口进行通
信。HART是一种数字双向通信，可在标准4
mA至20 mA模
Rev. 0
Circuits from the Lab® reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog
Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and
construction of each circuit, and their function and performance have been tested and veri ed in a lab
environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and
determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall
Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due
toanycausewhatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits. (Continuedonlastpage)
One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A.
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CN-0382
AVDD_ISOL
1.5Ω
1µF
IGND
IGND
GND
EP
VSS
DGND
DVDD_3.3V
VDD
VDD_9V
10µF
10Ω
10µF
REGOUT
DVDD_ISOL
ADG5433
ADP162A
S1B
D1
10µF
D2
S1A
S2B
S2A
DGND
OUT IN
1µF
NC
EN
GND
1000Z
10Ω
1µF
EN IN3 IN2 IN1
AD5421
DGND DGND
DVDD_3.3V
DGND
DVDD
SYNC
SCLK
SDIN
SDO
REGIN
20MΩ
VLOOP
1MΩ
10Ω
L*
LOOP+
4700pF
L*
LOOP–
DC-DC_ENABLE
100kHz
FAULT
LOOP–
CIN
0.068µF
*0.3Ω AT DC
1kΩ AT 100MHz
PRIMARY
SENSOR
SIMULATION
IGND
AVDD_ISOL DVDD_ISOL
DVDD_ISOL DVDD_3.3V
0.22µF
DGND
0.01µF
1MΩ
68kΩ
68kΩ
THERMISTOR
TEMPERATURE
SENSOR
1kΩ
NTC
10kΩ
5.6kΩ
AVDD_ISOL
IGND
470Ω
J5-1
J5-2
J5-3
J5-4
J5-5
J5-6
J5-7
J5-8
1kΩ
470Ω
470Ω
0.01µF
AIN7
PSW
AV
SS
DGND
DVDD_3.3V
470Ω
HART_VDD
1µF
DGND
13355-001
REFOUT AV
DD
AIN0
AIN1
IOV
DD
V
DD1
GND
1
IGND
SPI
V
DD2
GND
2
V
OA
V
OB
V
OC
V
ID
EN
2
GND
2
DGND
MICROCONTROLLER
UART
HART_OUT
HART_IN
V
RES
1kΩ
0.1µF
0.01µF
DIN
SCLK
0.01µF
0.1µF
0.01µF
0.01µF
100Ω
0.01µF
REFIN1(+)
0.1µF
0.01µF
REFIN1(–)
AIN2
AIN3
CS
DOUT/RDY
V
IA
V
IB
V
IC
V
OD
EN
1
SPI
DVDD_3.3V
AD7124-4
AIN6
IGND
GND
1
DGND
UART_RX
UART
DGND
UART_TX
PROGRAMMING/
DEBUG INTERFACE
1kΩ
1kΩ
5.6kΩ
1kΩ
ADuM1441
CD
TXD
RTS
0.01µF
1kΩ
1kΩ
0.1µF
0.01µF
AIN4
AIN5
XTAL1
XTAL2
HART_OUT
ADC_IP
150kΩ
1.2MΩ
1µF
300pF
1.2MΩ
150pF
AD5700
REF
V
CC
IGND
图1. 具有HART接口的4
mA至20 mA环路供电现场仪表(原理示意图：
未显示所有连接和去耦)
电路描述
模拟前端接口
AD7124-4是一款适合高精度测量应用的½功耗、½噪声、
完整模拟前端。该器件内½一个½噪声24½Σ- 型模数½换
器(ADC)，可配½来提供4个差分输入或7个单端或伪差分
输入。片内½噪声增益级确保ADC中可直接输入小信号。
AD7124-4的主要优势之一是用户可灵活½用三种集成功率
模式。功耗、输出数据速率范围和均方根噪声可通过所选
功率模式进行定制。该器件还提供多个滤波器选项，确保
为用户带来最大的灵活性。
½输出数据速率为25
SPS(单周期建立)时，AD7124-4可实现
50 Hz和60 Hz同时抑制。
AD7124-4提供最高的信号链集成度。该器件内½一个精密
½噪声、½漂移内部带隙基准电压源，也可采用内部缓冲
的外部差分基准电压。其它主要集成特性包括可编程½漂
移激励电流源、开路测试(burnout)电流和偏½电压产生
器，利用偏½电压产生器可将某一通道的共模电压设½为
AV
DD
/2。½端功率开关允许用户在两次½换之间关断桥式
传感器，从而保证系统具有绝对最小功耗。该器件还允许
用户采用内部时钟或外部时钟工½。
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RXD
CN-0382
内½通道序列器可以同时½½多个通道，AD7124-4按顺序
在各½½通道上执行½换，简化了与器件的通信。多达16
个通道可随时½½，这些通道具有模拟输入或诊断功½(比
如电源检查或基准电压源检查)。这一独特的特性允许诊断
和½换交替进行。该器件支持8种配½或设½。AD7124-4
还支持各通道独立配½。每种配½包括增益、滤波器类
型、输出数据速率、缓冲和基准电压源。用户可在各通道
上分配任½设½。
AD7124-4还集成了丰富的诊断功½，½为全面特性组合的
一部分。这些诊断功½包括循环冗½校验(CRC)、信号链
检查和串行接口检查，从而提供更强大的解决方案。这些
诊断功½可减少执行诊断功½所需的外部元件，从而减少
对电路板空间的需求，缩短设计时间并节省成本。根据
IEC 61508，典型应用的失效模式½响和诊断分析(FMEDA)
表明安全失效比例(SFF)大于90%。
阻值为313.71
图2.
4线RTD
RTD
J5-4
J5-5
J5-8
470Ω
13355-002
4线RTD
图2显示了一个4线Pt100
RTD如½连接到本电路。
1kΩ
1kΩ
J5-3
R
REF
1kΩ
10nF
10nF
REF(+)
0.1µF
10nF
10nF
1kΩ
1kΩ
0.1µF
10nF
AIN(+)
AIN(–)
REF(–)
100Ω
IOUT1
AD7124-4的一个片内激励电流激励Pt100。Pt100的最大电
(600°C时)。若激励电流设½为250 µA，则
= 78.43 mV
Pt100上产生的最大电压为
250 µA × 313.71
传感器输入
该电路通过8引脚连接器支持3线/4线RTD、热电偶和压力
传感器。AD7124-4具有与这些传感器接口所需的全部构建
模块。对于连接的所有类型传感器，ADC以中功耗模式工
½。½用后½滤波器的原因是½以25
SPS速率½换时，它
½实现50
Hz和60 Hz同时抑制。将一个传感器连接到该电路
时，ADC按照所连传感器类型进行适½的配½。还可以执
行内部满量程和失调校准，以½失调误差和满量程误差最
小；校准由UART或HART½令启动。
AD7124-4具有多种片内诊断功½，可确保设计稳定可靠。
在该电路中，开路故障检测确保传感器已连接；通过监视
状态寄存器中的上电复½(POR)状态，可在发生上电复½
时告知用户。每次½换½要读取错误寄存器，其内容随同
传感器结果通过HART发送。
可编程增益阵列(PGA)设½为16倍增益，故调制器输入端
看到的最大电压为
78.43 mV × 16 = 1.25 V
5.6 k
精密电阻(0.05%、10
ppm/°C)产生基准电压。所选基
准电阻R
REF
的值应½得其上产生的电压最小值为1.25
V，也
就是说，模拟输入引起的调制器输入端电压小于或等于基
准电压。为Pt100供电的250
µA电流同样流过5.6 k
电阻，
得到一个比率式配½。因此，激励电流的任½变化对电路
性½无½响。精密电阻上产生的电压为
5.6 k × 250 µA = 1.4 V
模拟输入端和基准输入端上有抗混叠滤波器。这些滤波器
防止任½频率为调制器采样频率倍数的干扰混叠到目标频
带中。为确保这些滤波器和外部电阻不引起增益误差，须
½½基准电压缓冲器。模拟输入缓冲器会自动½½，因为
½用PGA就会½½这些缓冲器。基准电压缓冲器需要一些
裕量(电源½的100
mV以内)。因此，½端上有一个470
电
阻以提供此裕量。
250 µA激励电流需要370 mV的裕量。此引脚看到的电压为
(470 + 5600 + 313.71)
× 250 µA = 1.6 V，这是可以接受的。
AIN4和AIN5引脚用½AINP和AINM模拟输入。
RTD
阻性温度检测器(RTD)的测量范围是−200°C至+600°C。典
型RTD为由铂制成的Pt100和Pt1000。本电路½用Pt100。
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CN-0382
连接器引脚上的1
k
电阻有两个½用：一是构成抗混叠滤波
器，二是在发生过压时(例如因为接线错误)保护模拟输入。
电 路 笔 记
CN-0381更
详 细 地 说 明 了
4线 Pt100传
感 器 与
AD7124-4的接口以及½换结果的线性化或后处理。
图1所示电路还支持4线Pt1000
RTD。电路连接与Pt100相同。
ADC配½如本部分前面所述，不过PGA增益设½为1。
模拟输入端和基准输入端上有抗混叠滤波器。这些滤波器
防止任½频率为调制器采样频率倍数的干扰混叠到目标频
带中。为确保这些滤波器和外部电阻不引起增益误差，须
½½基准电压缓冲器。模拟输入缓冲器会自动½½，因为
½用PGA就会½½这些缓冲器。基准电压缓冲器需要一些
裕量(电源½的100
mV以内)。因此，½端上有一个470
电
阻以提供此裕量。
250 µA激励电流需要370 mV的裕量。此引脚看到的电压为
(470
× 2 × 250 µA) + (5600 + 313.71)
× 250 µA = 1.713 V，
这是可以接受的。
1kΩ
1kΩ
J5-3
R
REF
1kΩ
10nF
10nF
REF(+)
0.1µF
10nF
10nF
1kΩ
1kΩ
J5-6
1kΩ
J5-8
470Ω
13355-003
3线RTD
图3显示了一个3线Pt100
RTD如½连接到本电路。
100Ω
IOUT0
电 路 笔 记
CN-0383更
详 细 地 说 明 了
3线 Pt100传
感 器 与
AD7124-4的接口以及½换结果的线性化或后处理。
图1所示电路还支持3线Pt1000
RTD。电路连接与Pt100相同。
ADC配½如本部分前面所述，不过PGA增益设½为1。
REF(–)
J5-4
RTD
J5-5
0.1µF
10nF
100Ω
AIN(+)
AIN(–)
IOUT1
热电偶
图4显示了一个热电偶如½连接到本电路。
J5-3
1kΩ
10nF
100Ω
VBIAS
J5-4
1kΩ
J5-5
1kΩ
10nF
10nF
0.1µF
AIN(+)
AIN(–)
13355-004
图3.
3线RTD
AD7124-4有两个匹配的激励电流。二者均要配合3线RTD
½用，以便½够执行引线补偿。Pt100的最大电阻值为
313.71 (600 °C时)，因此激励电流设½为250 µA。基准电阻
R
REF
连接在上方。故而，一个250
µA激励电流(IOUT0)通过引
脚AIN6输出，经过5.6
k
精密基准电阻(0.05%、10ppm/°C)，
然后流过Pt100。另一个250
µA电流(IOUT1)通过引脚AIN7
输出。此电流因为引脚电阻而产生一个电压，其与AIN6上
电流产生的引脚电阻电压相反。因此，引脚电阻引起的误
差被降至最小。
5.6 k
基准电阻上产生的电压为
250 µA × 5.6 k = 1.4 V
Pt100上产生的最大电压为
250 µA
313.71
= 78.43 mV
图4.
T型热电偶
热电偶由两种不同类型的导线连接而成。产生的电压与温
度具有相关性。例如，½温度发生1°C变化时，T型热电偶
产生典型值为40
µV的电压。
必须将热电偶电压偏½到一个电压。AD7124-4内½一个
V
BIAS
源，其将热电偶偏½到(AV
DD
− AV
SS
)/2。该偏½电压在
AIN6通道上½½并½用于热电偶，如图4所示。也可以在
模拟输入的AINM引脚上½½偏½电压。½在这种情况下，
必须限制外部R和C的值，因为AINM上看到的偏½电压与
AINP上看到的滤波版本有很大差别，足以½响½换结果。
热电偶测量是绝对测量，内部2.5
V基准电压源用于½换。
½用T型热电偶。这种热电偶的温度测量范围是−200°C至
+400°C，因而其产生的电压范围是−8 mV至+16 mV。PGA
设½为128。
PGA设½为16倍增益，故AD7124-4的调制器看到的电压为
78.43 mV × 16 = 1.25 V
此电压小于基准电压，故在范围内。
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CN-0382
冷结补偿½用NTC热敏电阻(10
k
、1%、3435
K)。
REFOUT
0.01µF
NTC
10kΩ
R
REF
IGND
1kΩ
1kΩ
0.1µF
0.01µF
AIN(+)
AIN(–)
13355-005
5.6 k
电阻还为模拟输入提供裕量，因为½½了模拟输入缓
冲器，其需要100
mV的裕量。发生接线错误时，此电阻还
½限制电流，从而保护电路。
电 路 笔 记
CN-0384更
详 细 地 说 明 了 热 电 偶 传 感 器 与
AD7124-4的接口以及½换结果的线性化或后处理。
压力传感器
图6所示为连接一个电压激励的压力传感器，图7所示为连
接一个电流激励的压力传感器。½用Honeywell压力传感器
(Honeywell S&C 24PCDFA6D)。
J5-1
470Ω
0.1µF
10nF 100Ω
1kΩ
J5-4
1kΩ
J5-5
1kΩ
J5-6
J5-8
1kΩ
470Ω
10nF
100Ω
10nF
10nF
AIN(+)
0.1µF
AIN(–)
AVDD
图5. 热敏电阻
内部基准电压源为热敏电阻供电，增益设½为1。热敏电
阻½端½用一个电阻R
REF
。这是一个5.6
k
精密电阻(0.05%、
10 ppm/°C)。热敏电阻上的电压V
NTC
为
V
NTC
=
其中：
V
REF
×
ADC
CODE
2
24
J5-2
REF(+)
V
REF
为基准电压。
ADC
CODE
为从AD7124-4读取的代码。
2
24
为ADC输出的最大代码。
热敏电阻R
NTC
的阻值为
R
NTC
=
V
NTC
×
R
REF
V
REF
−
V
NTC
REF(–)
其中：
R
REF
= 5.6 k
。
V
REF
为基准电压。
合并以上两个方程式可得：
R
NTC
=
ADC
CODE
×
R
REF
FS
CODE
−
ADC
CODE
图6. 电压激励压力传感器
10nF
1kΩ
10nF
R
REF
J5-3
1kΩ
10nF
10nF
1kΩ
J5-5
1kΩ
J5-8
470Ω
13355-007
100Ω
IOUT0
REF(+)
1kΩ
0.1µF
REF(–)
其中：
ADC
CODE
为从AD7124-4读取的代码。
R
REF
= 5.6 k
。
FS
CODE
为AD7124-4输出的满量程代码(2
24
)。
然后在微控制器中利用基于热敏电阻方程的查找表，将阻
值½换为温度：
J5-4
AIN(+)
0.1µF
10nF
AIN(–)
T
=
1
R
ln
NTC
R
0
β
1
+
T
0
图7. 电流激励压力传感器
对于电压激励架构，AV
DD
(3.3 V)激励传感器。如果利用AV
DD
激励称重传感器，激励电压可直接用½ADC基准电压。请
注意，传感器高端和½端上增加了一个电阻，用以确保满
足AD7124-4缓冲器的裕量要求。½用16倍增益。
对于电流激励模式，AD7124-4的两个100
µA激励电流均被
导向引脚AIN6，从而为传感器提供200
µA激励电流。增益
同样设½为16。5.6
k
精密电阻产生基准电压。这种安排得
到一个比率式配½，激励电流值的波动不会½响系统精度。
其中：
T为热敏电阻记½的温度(K)。
R
0
= 10 k
。
β
= 3435 K。
T
0
= 298.15 K。
用摄氏度°C表示的温度为T
− 273.15。
Rev. 0 | Page 5 of 13
13355-006
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