关键词：隔离，V/I，高压变频器

1引言

模拟量输出是高压变频器一项重要的功能，主要是通过控制器的端子输出运算结果模拟量给监控设备或者上位机等，实现对现场工艺的监控，并且对个别重要的工艺参数添加提醒功能，方便了现场的操作人员，保证产品质量。模拟量输出端子可以链接PLC、HMI或者其他控制设备。

传统的模拟量输出电路设计隔离性不好，外部用户端的信号很容易干扰到数字电路，本设计针对数字地和模拟地进行完全的隔离处理，外来的信号没有流过数字电路的直接路径。另外以往电路精度也不高，实时性不好，本文DA的信号转换都是由FPGA来统一处理，DAC选用10位分辨率高精度、自带高精度电源基准的DAC5317，并且控制器设有专门的比例系数和偏置矫正，这样大大提高了这两项指标。

设计要求：

Ø 4路4-20mA 电流输出和4路0-5V电压输出接口

Ø 完全和内部数字电路隔离

Ø 达到精度0.5%

  电路拓扑：

2. 关键芯片介绍：

2.1 DAC5317：
2.1.1 概述：   

Ø AD5317R是一款低功耗、四通道、10位缓冲电压输出DAC。该器件内置2.5 V、2 ppm/˚C内部基准电压源和增益选择引脚，满量程输出为2.5 V (增益=1)或5 V(增益=2)。它采用2.7 V至5.5 V单电源供电，具有小于0.1% FSR的增益误差和 1.5 mV的失调误差性能。

Ø 该器件提供3 mm × 3 mm LFCSP和 TSSOP封装。 AD5317R还内置一个上电复位电路和一个RSTSEL引脚，确 保DAC输出上电至零电平或中间电平，直到执行一次有效 的写操作为止。此外所有器件均具有各通道独立掉电特 性，在掉电模式下，器件在3 V时的功耗降至4 uA。

Ø AD5317R采用多功能SPI接口，时钟速率最高达50 MHz，包 含一个为1.8 V/3 V/5 V逻辑电平准备的VLOGIC引脚。

2.1.2 功能框图及封装：

2.2 ISO124

2.2.1 概述：

Ø ISO124 是一款高精度隔离放大器，采用了全新的占空比调制-解调技术。信号以数字的形式通过 2pF 差动电容隔离层进行传输。通过数字调制，其隔离层特点不但不会影响信号完整性，而且为隔离层提供出色的可靠性和优秀的高频瞬变抗扰性，隔离层电容器嵌入到封装的塑料主体内。

Ø ISO124 易于使用。无需外部组件即可运行。以下是其重要规格：最大 0.010% 的非线性值、50kHz 信号带宽和 200µV/°C VOS 漂移。ISO124 器件提供 ±4.5V 至 ±18V 的电源范围，±5mA（采用 VS1 时）和 ±5.5mA（采用 VS2时）静态电流，广泛适用于各种 应用。

Ø ISO124 采用 16 引脚 PDIP 和 28 引线 SOIC 塑料表面贴装封装 

2.2.2 功能框图级封装

2.3 AD694

2.3.1 概述：

Ø AD694是一款单芯片电流发射器，可接受高电平信号输入以驱动标准4-20 mA电流环路，从而控制过程控制中常用的阀门、执行器和其它设备。输入信号由一个输入放大器缓冲。通过简单的引脚绑定可以选择预校准的0 V至2 V或0 V至10 V输入范围；其它范围可以通过外部电阻进行设置。

Ø 经过有源激光调整的薄膜电阻使AD694具备高精度特性，无需执行额外调整和校准。

Ø AD694塑封SOIC封装产品的额定温度范围为-40°C至+85°C工业温度温度范围。 

2.3.2 功能框图及封装：

2.4 硬件电路设计;

2.4.1 原理图：

2.4.2 设计机理：
Ø ADC 转换：

AD5317R输出ADC Vout = VREF*Gain*(D/2ⁿ)；

这里VREF=2.5V取自于内部基准源;Gain=2;n=10

Ø V/I转换：

AD694 Iout= Vout*（1+R49/R52）*20/（R1+R2）+4（mA）；

这里R1=2.5K R2=10k，源于AD694内部电路;R49=R52=1k，源于外部设计。

举例：若待转换数字量D为512，则实际电压输出为2.5*2(512/1024)=2.5V，电流输出为2.5*2*20/12.5+4=12mA

2.5 系统参数设置及应用

Ø 控制器对每个输出数据在转化为模拟信号之前需要经过低通滤波、幅值矫正、限幅处理等环节，每一路都有对应的四个参数设置：待输出的参数地址，滤波时间，输出比例系数，输出偏置；

Ø 这里要输出的参数很多可选，可灵活根据现场的情况来设定，默认模拟量输出为实际频率和定子电流，系统预留了2路电流和两路电压输出通道，可以输出系统电压，输出有功功率等信息

2.6 实测精度：

2.6.1 测试条件

2.6.2 测试结果

考虑到万用电表的0.1%的测量误差，可以看出模拟量输出整体设计精度能够达到0.5%，如果把比例系数和输出偏置进一步校准，精度会更高。

总结：

Ø 良好隔离特性能够有效地隔离数字地和模拟地，不但能够抑制干扰，同时保护内部数字芯片不会进一步损坏，尤其是外部电路有短路过压等情况发生时。

Ø 高精度芯片的选型，外加增益和偏置参数的校准，实测精度完全能够达到0.5%，足以满足用户现场的工况需求。