AD421&AD5421常见问题解答
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AD421&AD5421常见问题解答 版本历史
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日期 2008/9/5 2013/7/7
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增加章节1.2参考资料 增加章节2.2参数 增加章节3.10~3.20
增加了3.1中的AD5421内容 增加了3.3中的AD5421内容 增加了3.6中的AD5421内容
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AD421&AD5421常见问题解答 目录
版本历史 ...................................................................................................................................... II 目录 ............................................................................................................................................ III 第1章 简介 ................................................................................................................................ 4 1.1 产品简介 ........................................................................................................................... 4 1.2 参考资料 ........................................................................................................................... 4 第2章 原理简介 ......................................................................................................................... 5 2.1 原理 ................................................................................................................................... 5 2.2 参数 ................................................................................................................................... 6 第3章 常见应用问题解答 .......................................................................................................... 7 3.1 电流环路的回路是不是必须和AD421或者AD5421分开？ ............................................ 7 3.2 数据手册中提供的FET管很难买到，有没有其他的能替代呢? ........................................ 7 3.3 我该如何通过单片机来控制AD421和AD5421的编程？ ................................................ 8 3.4 为什么AD421的电流输出和我编程的值不相符？ ......................................................... 11 3.5 如果我想让AD421提供超过20mA的电流，可以么？ .................................................. 12 3.6 当AD421或者AD5421给别的器件供电，为什么环路电流会变得不准？ .................... 12 3.7 如何用AD421来构建一个电流源？ ............................................................................... 13 3.8 FET管脚该如何与AD421连接？ ................................................................................... 14 3.9 为什么DN2540 很容易被损坏？ ................................................................................... 14 3.10 电流环上的电流，7-20mA时，测得的数据基本和设定值一样。但7mA以下，误差很大，5mA输出时，实际测得为6.5mA。为什么？ ................................................................. 14 3.11 可否用一个电源给两个 AD421 来提供环路电源？ ...................................................... 14 3.12 采用下面的电路图，这里光耦型号为 4N28，发现当上拉电阻为4.7k 时输出电流不正确，而当上拉电阻为10k时，输出电流正确。为什么？ ....................................................... 16 3.13 AD421 评估板原理图中，28F0195-100 是用于 EMI 抑制的，是否有其他替代器件推荐？ ........................................................................................................................................ 17 3.14 ADI公司还推出可以替代AD421或者与其类似的产品么？ .......................................... 18 3.15 AD421与AD5421的区别？ .......................................................................................... 18 3.16 如果环路供电的系统中，外围器件的功耗需求会大于3.25mA/3.15mA，是否有什么方法来解决二者之间矛盾？ ....................................................................................................... 19 3.17 如何确定环路供电的传输电缆长度？ ............................................................................ 19 3.18 为何芯片有时发热比较厉害，芯片功耗与芯片的工作电压、电流以及温度间有什么关系？ ............................................................................................................................................... 19 3.19 使用万用表测量电流值正确，而使用示波器时测量的电流值不准确？......................... 20 3.20 AD5421无CS引脚，是否可以使用SYNC当做CS管脚使用？ ................................. 20
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AD421&AD5421常见问题解答 第1章 简介
1.1 产品简介
AD421是ADI公司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位数字信号串行输入，4~20 mA电流输出，完全符合设计智能变送器的工业控制标准信号输出要求，可实现远程智能工业控制。它内部含有电压调整器，可提供+5V，+3.3V或+3V输出电压，可为其自身或其他电路使用。AD421采用ΣΔDAC结构，保证16位的分辨率和单调性，其积分线性误差为±0.001％，增益误差为±0.2％。AD421支持HART通信协议。标准三线串行接口可在10 Mbit／s下运行，便于与微处理器或微控制器相连。
AD5421是AD421的升级版本，也是一款完整的环路供电型4 mA-20 mA数模转换器(DAC)，专为满足工业控制领域智能变送器制造商的需求而设计。相比AD421，其拥有更好的精度、温度范围以及工作电压范围。AD5421内置一路稳压输出，用于为自身及变送器中的其它器件供电。此调节器提供1.8 V至12 V的调节输出电压。该器件还内置1.22 V和2.5 V基准电压源，因而不需要分立调节器和基准电压源。AD5421可以结合标准HART® FSK协议通信电路使用，而且额定性能不会受到影响。高速串行接口能够以30 MHz速率工作，并且允许通过一个SPI兼容型三线式接口与常用的微处理器和微控制器简单相连。AD5421保证16-bit单调性。典型条件下，积分非线性为0.0015%，失调误差为0.0012%，增益误差为0.0006%。
1.2 参考资料
参考资料：
CN0278具有额外电压输出能力的完整4 mA至20 mA HART解决方案: http://www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/cn0278/vc.html. UG-250Evaluation Boardfor 16-Bit, Serial Input, Loop-Powered4 mA to 20 mA DAC:http://www.analog.com/zh/digital-to-analog-converters/da-converters/ad5421/products/EVAL-AD5421/eb.html
CN0267具有HART接口的完整4 mA至20 mA环路供电现场仪器: http://www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0267/vc.html. AN-534具有额外电压输出能力的完整4 mA至20 mA HART解决方案: http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-534.pdf
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AD421&AD5421常见问题解答 第2章 原理简介
2.1 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2-1所示。电压调整器由一个运放、带隙基准和外接耗尽型FET管构成。DAC输出电压，这个电压通过一个运算放大器和NPN型晶体管来设置流过LOOP RTN管脚的电流。通过对NPN晶体管控制使通过40Ω电阻的电压等于80KΩ电阻上的电压。BOOST管脚一般与VCC相连。当DAC输入代码从0到满量程(全1)时，从NPN晶体管输出的电流及整个电流环电流可以从4 mA变化到20 mA．。
图 2-1 AD421功能框图
AD5421的主要结构与AD421类似，但内置一路稳压输出，用于为自身及变送器中的其它器件供电。
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AD421&AD5421常见问题解答
图 2-2 AD5421功能框图
2.2 参数
下面介绍有关芯片的重要参数。
TUE总不可调整误差：总不可调整误差(TUE)衡量总输出误差，最大TUE包括INL误差、失调误差、增益误差和整个温度范围内的输出漂移。TUE用%FSR表示。对于AD421，在25 ℃条件下其TUE为±0.2%FSR；AD5421在25 ℃条件下，其TUE为±±0.041 %FSR。
环路顺从电压裕量：环路顺从电压裕量是指输出电流与编程值相等情况下LOOP−与REGIN引脚之间的最小电压。
输出温度系数(TC)：输出TC衡量12 mA输出电流随温度的变化，用ppm FSR/°C表示。
基准电压温度系数(TC)：基准电压TC衡量基准输出电压随温度的变化。它利用黑盒法计算，即将TC定义为基准输出电压在给定温度范围内的最大变化，用ppm/°C表示，计算公式如下：TC=(其中：
VREF_MAX是在整个温度范围内测得的最大基准输出电压。 VREF_MIN是在整个温度范围内测得的最小基准输出电压。 VREF_NOM是标称基准输出电压2.5 V。 Temp_Range为额定温度范围。
VREFMAX−𝑉𝑅𝐸𝐹MINVREFNOM×TempRange
)×106
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AD421&AD5421常见问题解答 第3章 常见应用问题解答
下面按顺序对FAQ进行详细的叙述。其中标题为问题的叙述，标题以下的正文为问题的详细解答。
3.1 电流环路的回路是不是必须和AD421或者AD5421分开？
是的，下图3-1是AD421的电流环路示范，电流的环路必须是浮地，否则电流环路将无法形成。此环路同样适用于AD5421。
图 3-1 环路供电整体电流流向
3.2 数据手册中提供的FET管很难买到，有没有其他的能替代呢?
AD421对FET管的需求如下图
图 3-2 FET的参数需求
您可以参考FET管的数据手册，只要上面几个参数符合要求的都可以替换。您也可以参考下面的表格进行选择
表 3-1 FET数据参考手册
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AD421&AD5421常见问题解答 BVDSX RDS(ON) Device Min Max Number VGS(off) IDSS @ VGS = 0V SOT-23 TO-92 TO-220 SOT-89 Min V Max V Min mA Max mA * * 1, 2 Notes DN2530 250 V 12 Ohm -1 V -3.5 V 200 mA DN2535 350 V 25 Ohm -1.5 V -3.5 V 150 mA * * 1, 2 DN2540 400 V 25 Ohm -1.5 V -3.5 V 150 mA * * * 1, 2 DN3125 250 V 20 Ohm -1.5 V -3.5 V 300 mA 2 DN3135 350 V 35 Ohm -1.5 V -3.5 V 180 mA * * 2 DN3145 450 V 60 Ohm -1.5 V -3.5 V 120 mA * 2 DN3525 250 V 6 Ohm -1.5 V -3.5 V 300 mA * 2 DN3535 350 V 10 Ohm -1.5 V -3.5 V 200 mA * 2 DN3545 450 V 20 Ohm -1.5 V -3.5 V 200 mA * * 2 LND150 500 V 1000 Ohm -1 V -3 V 1 mA 3 mA * * 2 LND250 500 V 1000 Ohm -1 V -3 V 1 mA 3 mA * 2 3.3 我该如何通过单片机来控制AD421和AD5421的编程？
AD421& AD5421使用SPI 3线通讯，和MCU的连接可以参考下面的图，通讯的隔离可以使用光耦，也可以使用ADI推出的ADUM系列隔离器件，比如ADuM1400，ADuM144X。
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图 3-3 AD421&AD5421隔离电路
AD421系统的时序参考下面的时序图3-4，需要注意的是，您必须保证两个Latch的脉冲之间恰好有16个系统时钟，否则AD421会进入Alarm Current模式。
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图 3-4 AD421时序图
我们同时提供AD421的参考程序，可以供您参考。
AD5421的时序参考下图3-5，注意如果MCU与AD5421之间的超过一定的时间没有通信，则环路电流进入报警状态。
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图 3-5 AD5421时序图
我们同时提供AD5421的参考程序，可以供您参考。
ExampleCode_DAC_AD5421.zip
3.4 为什么AD421的电流输出和我编程的值不相符？
AD421除了电流编程模式，还有Alarm current模式，如果您发现输出的电流不对，请您首先检查您的程序时序是否正确的写入了寄存器，同时检查下两个LATCH的脉冲之间是否超过了16个系统时钟，如果超过了16个，那么AD421会默认进入Alarm current模式，这种模式下输出电流和控制码的对照如下图。
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图 3-6 报警电流工作模式下的理想输入/输出代码表
下图的时序是当LATCH脉冲之间的超过16个时钟周期情况下的时序图。不管两个LATCH之间有多少个时钟周期，只有最后17个对AD421的输出有影响。
图 3-7 AD421的时序图
3.5 如果我想让AD421提供超过20mA的电流，可以么？
AD421在Alarm current模式可以提供3.5mA到24mA的电流范围，请参考上面的问题。
3.6 当AD421或者AD5421给别的器件供电，为什么环路电流会
变得不准？
请检查AD421 VCC同时供给其他器件的电流，如果超过3.25mA，就可能会有这种情况，
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图 3-8 AD421环路电流的要求
AD5421同样存在这样的问题，对于AD5421，可以提供给外围器件的电流值为3.15mA。
图 3-9 AD5421环路电流的要求
3.7 如何用AD421来构建一个电流源？
是可以的。您需要参考下面的电路图，AD421的编程的电流IPROG会在R1上产生一个电压，因为运放的原理，同相端和反向端电压相同，所以R2上端的电压会跟LOOP_RTN的电压相同，从而也会产生一个电流，电流的大小为IPROG×R1/R2，那么整个流过负载的电压为IL = [1 + R1/R2] IPROG。您只需要选择精密的电阻就可以来控制这个精密的电流源
图 3-10 使用AD421构建电流源
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AD421&AD5421常见问题解答 3.8 FET管脚该如何与AD421连接？
具体的连接请参考如下图。与Vcc连接的管脚为源极，与环路连接的管脚为漏极。
图 3-11 FET的3个管脚排列
3.9 为什么DN2540 很容易被损坏？
MOS 管是比较容易被静电击穿而损坏的器件，在器件购买和焊接时要注意做好静电保护。
3.10 电流环上的电流，7-20mA时，测得的数据基本和设定值一样。但7mA以下，误差很大，5mA输出时，实际测得为6.5mA。为什么？
如果系统中有其他芯片用AD421 的VCC 来供电，那么要保证这些芯片的功耗不能超过AD421VCC 的供电能力范围（4mA 输出时，VCC 能提供3.25mA 的电流）。本例中，单片机的平均耗电在6mA 左右，当AD421 输出电流较低时（比如5mA），VCC 不能提供6mA 的电流给外部芯片，会导致芯片精度下降。在把功耗降低到1mA 左右时，AD421 的输出变得很准确。
环路供电的变送器以及其外围器件有严格的功耗要求，低功耗是一个重要的参数。对于AD421其外围电路的功耗要求为不大于3.25mA；AD5421的外围器件的功耗要求为不大于3.15mA。
3.11 可否用一个电源给两个 AD421 来提供环路电源？
可以。如下图所示，红线和蓝线分别为两个AD421 环路。注意两个AD421 的COM
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AD421&AD5421常见问题解答 （GND1和GND2）端不能短路。
这种方法也可以扩展到多个AD421的应用上，同时AD5421也适用这种应用方法。
图 3-12 两个AD421的连接
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AD421&AD5421常见问题解答 3.12 采用下面的电路图，这里光耦型号为 4N28，发现当上拉电阻为4.7k 时输出电流不正确，而当上拉电阻为10k时，输出电流正确。为什么？
图 3-13 AD421简易电路图
原因是因为光耦输出数字信号的上升沿或下降沿太缓慢。AD421 芯片资料中给出数字信号的上升沿或下降沿不能超过1us。
图 3-14 AD421对于光耦输出数字信号上升沿\\下降沿的要求
而4N28 资料中给出在RL 为100 ohm 时的上升沿或下降沿为2us，如下图所示。增加RL 会使得上升沿或下降沿时间缩短，但并不能最终解决问题。
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图 3-15 光耦的数据手册
数字信号缓慢的上升沿使得信号非常容易受到噪声的干扰，从而导致AD421 的数据接收出现错误。解决办法有两个：
1、 采用ADI 的iCoupler 系列产品替代4N28；
2、 在光耦输出增加Schmitt-trigger 逻辑门将光耦输出的数字信号整形使得沿变得更
陡峭；
3.13 AD421 评估板原理图中，28F0195-100 是用于 EMI 抑制的，是否有其他替代器件推荐？
可以考虑使用FBMH3225HM102。在下面的链接中可以找到详细的资料。 http://ie.farnell.com/taiyo-yuden/fbmh3225hm102nt/ferrite-bead-chip-series-fb-fb/dp/1651731?Ntt=1651731 亚洲技术支持中心 电话：4006 100 006 Email：china.support@analog.com 17
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图 3-16 AD421评估板
3.14 ADI公司还推出可以替代AD421或者与其类似的产品么？
您还可以参考下面几款片子。
AD5421，为AD421的升级产品，同样的16-bit分辨率，可以替代AD421使用，提供更好的精度和温度、电压范围，同时具有多种报警功能。
AD5422，可以提供16bits分辨率的 4–20mA, 0–20mA or 0–24mA 电流输出和0-5V, 0-10V, ±5V, ±10V电压输出的同时，只有0.1%的未校准总误差和5ppm/°C 的温漂。
AD5750，可以提供16bits分辨率的4–20mA, 0–20mA or 0–24mA, ±20mA, ±24mA的电流输出，0-5V, 0-10V, ±5V, ±10V 电压输出，同时未校准总误差为0.1%(B级产品)和0.3%（A级产品），它的温漂也仅为5ppm/°C
AD5420，可以提供16bit分辨率的4–20mA, 0–20mA or 0–24mA电流输出，未校准总误差为0.1%，温漂为5ppm/°C。
3.15 AD421与AD5421的区别？
AD5421为AD421的升级产品，同样的16-bit分辨率，可以替代AD421使用，提供更好的精度和温度、电压范围，同时具有多种报警功能。二者不能管脚兼容。下面就相关的重要参数进行比较。
功能：功能相同，都是环路供电的4-20mA变送器。但AD5421提供更多的报警功能。如SPI通信中断、超时；芯片过温；环路电流错误。
封装：二者的封装不同，不能够管脚兼容。
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AD421&AD5421常见问题解答 分辨率：都是16-bit的分辨率。 接口：都是SPI接口。
电源电压：AD421的最大电源电压为5V，AD5421的最大电源电压为52V。 精度：AD421的精度为±0.2%@25℃，AD5421的精度为±0.027%@25℃，因此AD5421的精度更高。
芯片工作温度：AD421的工作温度范围为-40℃-85℃；AD5421的工作温度范围为-40℃-105℃。
3.16 如果环路供电的系统中，外围器件的功耗需求会大于3.25mA/3.15mA，是否有什么方法来解决二者之间矛盾？
方法是有的，可以增加DC-DC转换器，从高电压的环路上或者芯片电源输出管脚上取电，通过DC-DC转换供给除AD5421/AD421外的器件，从而一定程度上解决外围器件功耗与环路电流之间的矛盾。注意即使这种方式也只能在一定程度上解决二者之间的矛盾。
在设计DC-DC转换器时，一定要注意地的连接，需要和芯片COM端相连，以保持地的悬空。
3.17 如何确定环路供电的传输电缆长度？
无论是AD421还是AD5421，其传输线长度受到电流输出端口的输出电压、采样电阻值、电缆的线阻的影响。
传输电缆的长度=
传输电缆的最大电阻传输电缆的线阻 传输电缆的最大电阻=
电流输出端口的最大输出电压−20𝑚𝐴∗取样电阻值20𝑚𝐴
3.18 为何芯片有时发热比较厉害，芯片功耗与芯片的工作电压、电流以及温度间有什么关系？
可以使用下图所示的电路进行简单的说明。假设电流输出的端口的负载RL电阻值很小，近似电阻为0欧姆，那么几乎所有的电压降都落在了芯片上。对于AD5421，如果采用24V环路供电，那么芯片的最大功耗为20mA*24V=480mW；采用32-Lead LFCSP_WQ封装，其热阻为40℃/W，那么芯片相对于环境温度升温为0.48*40=19.2℃。所以有时芯片会发热。
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AD421&AD5421常见问题解答
图 3-17 AD5421简易电路图
3.19 使用万用表测量电流值正确，而使用示波器时测量的电流值不准确？
在使用示波器测量取样电阻两端的电压时时，由于示波器的地是不悬空的，有固定的电位。所以将示波器的地连接在芯片的地上，会导致芯片的地不悬空，进而破坏电流环路。
3.20 AD5421无CS引脚，是否可以使用SYNC当做CS管脚使用？
AD5421可以使用SYNC管脚替代CS的功能。
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