通用串行总线(USB)外设隔离器电路图讲解_电工基础电路图

　　电路功能与优势

　　通用串行总线（USB）正迅速成为大部分PC外设的标准接口。由于它具有出色的速度、灵活性，并且支持设备热插拔，因而正在取代RS-232和并行打印机端口。工业和医疗设备制造商也非常希望使用这种总线，但苦于没有很好的方式来为控制危险电压的机器连接或者医疗应用中的低泄漏防去颤连接提供必要的隔离，导致应用推广相当缓慢。

　　ADuM4160 提供了一种经济简单的方式来实现工业和医疗外设隔离缓冲器。需要解决的挑战包括：

　　直接在USB D+和D−线路中隔离，以便使用微处理器中的现有USB基础架构。

　　针对不需要外部控制线路的控制数据流实施自动控制方案。

　　提供医用级隔离。

　　支持完整外设达到USB-IF认证标准。

　　支持全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）信号速率。

　　支持灵活的电源配置。

　　图1所示的电路隔离了一个支持USB接口的外设。由于本电路没有明确定义外设，因此隔离器副边的电源已作为解决方案的一部分提供。如果在外设的PCB上构建该电路，则电源可以从外设的离线电源、电池或者USB电缆总线电源获得，具体取决于应用需要。

　　这里所示的应用电路是许多医疗和工业应用的典型电路。

图1. USB外设隔离器电路

　　典型应用电路的照片如图2。ADuM4160评估板（照片左侧）连接到带I 2C兼容接口的4通道、12/10/8位ADCAD7991的评估板。ADC评估板充当外设，通过USB端口连接到PC（以便测试和评估ADC）。这就在 ADuM4160 USB端口与ADC评估板之间提供了整体隔离。

图2 ADuM4160 USB评估板连接到AD7991评估板USB端口的照片

　　电路功能与优势

　　图1所示电路是一种仅使用两个模拟器件的全功能、灵活、可编程的模拟输出解决方案，它满足可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）应用的大部分要求。 AD5660-1 是一款低功耗（2.8 mW @ 5 V）、轨到轨输出、16位nanoDAC®， AD5750-1是一款工业用电流/电压输出驱动器，二者相结合可提供所有典型的电流和电压输出范围、16位分辨率且无失码、0.05%的线性度以及小于0.1%的输出误差。该电路还具有一些支持工业应用的重要特性，如片内输出故障检测、用于防止分组错误（PEC）的CRC校验以及灵活的上电选项等，非常适合构建鲁棒的工业控制系统。在大批量生产中，它无需外部精密电阻或校准程序就能保持一致的性能，因而是PLC或DCS模块的理想选择。

　　图1. 针对单通道的基本模拟输出电路（原理示意图，未显示所有连接和保护电路）

　　电路描述

　　AD5750/AD5750-1是单通道、低成本、精密电压/电流输出驱动器，设计用于满足工业过程控制应用的需要。电压输出范围可以针对PLC和DCS 应用的标准输出范围进行编程：0 V至5 V、0 V至10 V、−5 V至+5 V和−10 V至+10 V。针对标准范围，还提供了20%的超范围设置，由此便可得到下列选项：0 V至6 V、0 V至12 V、−6 V至+6 V和−12 V至+12 V。

　　电流输出通过单独的引脚提供，可以编程为以下范围：4 mA至20 mA、0 mA至20 mA、−20 mA至+20 mA、0 mA至24 mA和−24 mA至+24 mA。单极性范围具有2%的超范围设置。由于AD5750/AD5750-1的电流输出既可以是源电流，也可以是吸电流，因此它能与广泛的传感器或执行器接口。如果需要，可以将电压和电流输出引脚连在一起，以便将终端系统配置为单通道输出。

　　AD5660-1是一款单通道、低成本、低功耗、轨到轨电压缓冲输出nanoDAC，片内集成一个1.25V、5 ppm/°C基准电压源。AD5660-1内置一个上电复位电路，确保DAC输出上电至0 V并保持该电平，直到执行一次有效的写操作为止。

　　AD5660-1 DAC与AD5750-1驱动器之间的接口简单，无需外部器件。AD5660-1的输出电压范围是0 V到2.5 V，与AD5750-1的输入范围匹配。此外，AD5660-1的基准输出电压为1.25 V，与AD5750-1的基准输入要求完全匹配。

　　用于PLC和DCS应用的器件所需的ESD保护和过压保护一般远高于形式上的推荐要求。AD5750-1的各引脚内置ESD保护二极管，可以防止3 kV瞬变损害器件（人体模型）。但是，工业控制环境可能会使I/O电路遭受高得多的瞬变。EVAL-CN0203-SDPZ电路板内置外部30 V/600 W瞬变电压抑制器（TVS）、50 mA/30 V自恢复保险丝（PolySwitch）和肖特基功率二极管，以提供更高电压的ESD保护、50 mA过流保护和30 V过压保护。图1的原理示意图未显示可选的外部保护电路，但可以在CN0203设计支持包的详细原理图（EVAL-CN0203-SDPZ-SCH pdf文件）中找到： www、analog、com/CN0203-DesignSupport

　　本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、接地和去耦技术（请参考 教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”“ 以及 教程MT-101——“去耦技术”）。

　　测量

　　对于PLC、DCS和其它过程控制系统，积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）和输出误差是最重要的性能指标。AD5750-1具有非常灵活并且可配置的输出范围，可以满足应用需要。该电路的INL、DNL和输出误差测量结果分别如图2、图3和图4所示。测量条件为25°C、电压输出模式并且使用内部电流检测电阻。AD5750-1范围设置为0 V至5 V。所有其它范围的测试结果如表1所列。

　　图2. 0 V至5 V输出范围的INL

　　图3. 0 V至5 V输出范围的DNL

　　图4. 0 V至5 V输出范围的输出误差

　　表1所示测试结果是在25°C下使用EVAL-CN0203-SDPZ电路板，采用Agilent E3631A直流电源供电，利用Agilent 34401A数字万用表测得的。

　　注意，客户需要调整输出范围0 mA至20.4 mA和0 mA至24.5 mA，以便与0 mA至20 mA和0 mA至24 mA范围完全匹配。0 mA至+24.5 mA范围下的0.24% FSR输出误差包括增益误差，增益误差由客户通过校准消除。