CN0414

A/Dコンバータ 

回路の中心は、±10V、20mAのアナログ・フロント・エンド内蔵、低消費電力、低ノイズ、24ビットのΣ-Δ A/Dコンバータ（ADC）AD4111です。

AD4111はソフトウェア設定が可能で、断線検出機能を備えた4つの完全差動または8つのシングルエンド電圧入力チャンネルと、4つの電流入力チャンネルがあり、内蔵のクロスポイント・マルチプレクサによって高い柔軟性をもたらします。

また、キャリブレーション・レジスタを内蔵し、外部シグナル・コンディショニング回路を含む全入力パスのオフセットとゲインの補正を行うよう設定することができます。このADCは、小型の6mm × 6mm LFCSPパッケージに収容されており、スペースを重視する場合に最適です。

クロックと高精度2.5Vリファレンスを内蔵しているため、外付け部品を最小限に抑えることができ、更にスペースが節約できます。2個のプログラマブルな汎用出力ピン（GPO0とGPO1）が補助回路を制御し、プロセッサ／コントローラからの制御ラインを追加する必要はありません。

CN-0414は、GPO0とGPO1を使用して、ADG704マルチプレクサをイネーブル／ディスエーブルするため、1つのAD5700-1 HARTモデムで4つの電流入力チャンネルに対応可能です。 

電圧入力回路

図2に示す回路には4つの差動入力があり、最大±10Vの入力範囲に対応します。入力インピーダンスは最小1MΩが確保されています。

高電圧のトランジェントが発生した場合、D1とD2により入力が保護されます。

入力のコモンモード・ノイズのフィルタ処理は、R1||R_{IN_ADC}/C1とR2||R_{IN_ADC}/C2によって行われ、約190kHzです。差動ノイズのフィルタ処理は、R1||R_{IN_ADC}、R2||R_{IN_ADC}、C5によって行われ、約18kHzです。

表1に、4つの電圧入力チャンネルのパラメータと性能を示します。

電流入力回路

図3に示す回路には4つの電流入力チャンネルがあり、最大で0mA～24mAの入力範囲に対応します。回路の入力インピーダンスは250Ω（うち60ΩがAD4111の内部抵抗）で、入力はグラウンドを基準としています。

高電圧または高電流のトランジェントが発生した場合、D1とF1により入力が保護されます。

内蔵の50Ω電流検出抵抗により、24mAの入力に対し1.2Vが生成されますが、これはADP2441（内蔵の2.5V電圧リファレンスを使用）の2.5Vのフルスケール電圧範囲内に収まります。

入力パスは、Σ-Δ ADCの最大入力帯域幅までの信号に対応します。また、内蔵のsincフィルタを使用して、1.2 kHz～2.2 kHzのHART周波数を除去することもできます。AD4111のフィルタ・モデルは、AD4111製品ページのツール・セクションのリンクにあります。ツール・セクションの設計ツールを参照して、HART周波数を除去するための最適なソリューションを探してください。

表2に、電流入力チャンネルのパラメータと性能を示します。

断線検出機能 

断線検出機能は、外部センサーまたはソース信号がシステム入力から切断されたことを検出するシステム・レベルの診断機能です。AD4111は、5Vまたは3.3V単電源動作時における±10Vの電圧入力で断線検出を可能にする独自の機能を内蔵しています。既存の設計でこの機能を実現するには、±10V以上の電源が必要です。  

この断線検出機能は、ユーザ・ソフトウェアでサポートする必要があります。入力での断線は、入力に関連する2つのチャンネル間の絶対差を閾値と比較することによって検出され、推奨閾値は入力を基準として300mVです。差がこの閾値より大きい場合、ユーザ・ソフトウェアで断線をフラグする必要があります。 

提供されているソフトウェアのソース・コードは、AD4111のデータシートに記載の断線検出機能を実際に実装する方法を例で示したものです。コスト、サイズ、複雑さ、開発時間の点から、この機能によりハードウェアおよびソフトウェアの設計を簡略化できます。 

図4に、シングルエンド／差動構成のチャンネル1での断線検出に必要な電圧入力構成を示します。 

シングルエンド入力構成（この場合チャンネル0（VIN0）とチャンネル15（VINCOM））での断線検出を例にとると、対応するレジスタのデータ、ステータス、断線検出機能、入力バッファ、モード、リファレンス源を有効にし、その後チャンネル0とチャンネル15の電圧差を計算する必要があります。この2入力がフロート状態になっている場合は、300mVを超える電圧差が生じ、断線がフラグされます。逆に、センサーまたは信号源が接続されている場合は、電圧差は300mVを下回り、断線はフラグされません。 

差動入力構成での断線検出イベントの場合、アルゴリズムは同じで、唯一の相違点は、計算する必要があるのがチャンネル1（VIN0）とチャンネル2（VIN1）の電圧差であることです。

断線検出を使用する場合、各電圧入力の測定ごとに2つのチャンネルが必要です。また、断線検出測定が正しく機能するように、電圧入力を特定のチャンネル・ペアに割り当てることも必要です。 

シングルエンド入力での断線検出測定の場合、使用する必要のあるチャンネルの組み合わせは以下のとおりです。 

• チャンネル15とチャンネル0 
• チャンネル1とチャンネル2 
• チャンネル3とチャンネル4
• チャンネル5とチャンネル6
• チャンネル7とチャンネル8
• チャンネル9とチャンネル10
• チャンネル11とチャンネル12
• チャンネル13とチャンネル14

差動入力での断線検出測定の場合、使用する必要のあるチャンネルの組み合わせは以下のとおりです。 

• チャンネル1とチャンネル2 
• チャンネル5とチャンネル6 
• チャンネル9とチャンネル10 
• チャンネル13とチャンネル14

更に、差動入力の場合、正常に動作させるには入力を以下の差動ペアに設定する必要があります。 

• VIN0とVIN1
• VIN2とVIN3
• VIN4とVIN5
• VIN6とVIN7 

断線検出機能を実行するには、AD4111を正しく構成した後に出力データをユーザ・ソフトウェアで処理しなければなりません。入力での断線は、入力に関連する2つのチャンネル間の絶対差を閾値と比較することによって検出されます。推奨閾値は入力を基準として300mVです。この閾値は、2.5Vの電圧リファレンスとAVDD = 5Vのバイポーラ構成で動作する場合、ADCの10進出力コードで約100,000（0x0186A0）です。ユニポーラ構成で動作する場合、この閾値は約200,000（0x030D40）です。

HART入出力回路 

ハイウェイ・アドレス指定可能リモート・トランスデューサ（HART）は双方向の通信プロトコルで、スマート・フィールド・デバイスや制御またはモニタリング・システムを代表とする、HARTが可能な2つのデバイス間のデータ・アクセスを実現します。

HARTは、小規模の自動化アプリケーションから非常に精巧な工業用アプリケーションに至るまで、プロセス・システムや計装システムで広く用いられています。HARTは、1つはアナログ、もう1つはデジタルの、2つの同時通信チャンネルを提供します。

4mA～20mAの信号が、計測器に電力を供給するための配線を使用して、1次側の測定値を電流のアナログ値として伝達します。次にホスト・システムが、電流値をHARTソフトウェアによって定義されるパラメータに従って、物理値に変換します。デジタルのデバイス情報は、デジタル信号を復号して通信されます。これには一般に、アナログ通信に使用されるのと同じ4mA～20mAの配線で、周波数シフト・キーイング（FSK）と呼ばれる手法を使用します。デジタル信号には、1次側の測定データ、デバイスのステータス、診断、その他の測定値や計算値などの、デバイスからの情報が含まれています。

この2つの通信チャンネルが組み合わさって、設計が容易で使いやすく、低コストで高信頼性の全機能内蔵型フィールド通信ソリューションを提供します。詳細については、HART協会のWebサイトを参照してください。

AD5700-1は、超低消費電力、小型フットプリントのHART互換モデムで、AD4111電流入力チャンネルと共に使用することで、HART互換の4mA～20mAのレシーバー・ソリューションを形成します。AD5700-1には高精度発振器が内蔵されているため、特に絶縁型アプリケーションにおいて、スペースを更に節約できます。

HART機能は4つの電流入力チャンネルでマルチプレクスされます。HART入出力ネットワークは、2つのADG704マルチプレクサ（図5のSW1とSW2）を使用して4チャンネル間で共有されます。

HART入力回路は、R3、C1、C2、R4、R5で形成されるHARTバンドパス・フィルタで構成されています。このフィルタについてはAD5700-1のデータシートで説明されています。

SW1スイッチはチャンネルごとに使用され、HART入力回路をアクティブなHARTチャンネルに切り替えます。

150kΩの抵抗（R3）は、各チャンネルにあり、HARTバンドパス・フィルタの一部ですが、SW1スイッチの保護を追加するものでもあります。

HART入力は電流入力端子に直接接続するため、適切な電圧レベルがAD5700-1のADC_IPピンに確実に印加されます。

スイッチSW2はチャンネルごとに使用され、HART出力回路をアクティブなHARTチャンネルに切り替えます。コンデンサC3はHART信号を結合します。

R1、C3、R6、R7を組み合わせて、25Hzの4mA～20mA入力信号（HARTを有効化したデバイスが許容できる最速のスルー・レートに相当）の間に、AD5700-1のHART_OUTピンの電圧がGND未満に低下しないようにすることができます。

電源回路

ボードは、9.5V～36VのDC電源から電力供給され、オンボードのスイッチング・レギュレータを使用してシステムに7.5V電源を供給します（図6と図7参照）。試験のセットアップでは、この7.5VがEVAL-ADICUP3029ボードの電源となります。次に、EVAL-ADICUP3029ボードはレギュレーションされた3.3VをV_IO（図7のIOREFピン）の電圧に供給し、5Vをその他の回路に供給します。

36Vの降圧DC/DCレギュレータADP2441は、工業標準の24V電源に対応し、入力電圧に対し広い許容度を持っています。ADP2441は入力電圧を、プラットフォーム・ボード用には1Aで7.5Vに降圧し、Arduino互換プラットフォームに通常備わっている5Vレギュレータを使用するその他のEVAL-CN0414-ARDZ向けには、5Vの電源に降圧します。回路には、24V電源端子でのフィルタリングと保護も含まれています。

ADP2441のスイッチング周波数が高いため、小さいインダクタを使用した場合でも出力電圧のリップルを最小限に抑えることができます。 

インダクタのサイズを選択する場合は、効率と過渡応答の間のトレードオフを考慮する必要があります。インダクタが小さいとインダクタ電流のリップルが大きくなり、優れた過渡応答が得られますが、効率は低下します。ADP2441のスイッチング周波数が高いため、シールドされたフェライト・コア・インダクタを使用することを推奨します。コアの損失が低く、電磁干渉（EMI）も低いためです。 

図6の回路では、162kΩの抵抗が外付けされ、スイッチング周波数は約550kHzとなります。33µHというインダクタの値はADP2441のデータシートから選択されています。回路は、ネジ端子を使って9.5V～36V（通常は12V～28V）のフィールド用電源に接続します。EARTH端子は、外部アースに接続するか、または外部アース接続を使用しない場合はGND端子に接続することができます。. 

パワー・インダクタ、バリスタ、パワー・ダイオード、1.1Aのヒューズにより、高電圧トランジェントが発生した場合の入力保護を強化します。

図7と表3に示すように、EVAL-CN0414-ARDZには3通りの方法で電力供給できます。いずれの場合でも、EVAL-CN0414-ARDZは、EVAL-ADICUP3029またはその他の互換性のあるArduinoベースのボードから電力供給されます。 

更に多くの電源をEVAL-CN0414-ARDZまたはEVAL-ADICUP3029に接続する場合、電源には優先順位があります。電圧値が最も高い電源を選択してください。

絶縁

ADuM5411は、SPIインターフェース（SCLK、SDI、SDO、CS）を絶縁し、更に、isoPower^®技術を統合して絶縁型5V電源を提供します。これに対し、ADuM3151 SPIsolator^®はHARTインターフェースと制御信号の絶縁を行います。これらのアイソレータは、ディスクリートのトランスをベースとするソリューションに比べ、面積を大きく節約できます。詳細については、Analog Dialog 記事、PLC/DCS用アナログ入力モジュールのチャンネル間絶縁、高密度化の壁を打ち破るを参照してください。 

ノイズ・テスト 

ADICUP3029プラットフォームで実行されるCN-0414ソフトウェアには、複数のサンプルを取得する機能があります。ほとんどの端末プログラムは、受信データのログをファイル化する機能を備えています。この受信データは、次にスプレッドシートまたは他の解析プログラムにインポートされます。

システム・ノイズの評価は、チャンネルごとに入力端子を短絡して行います。これにより、電圧入力チャンネルの差動電圧はゼロになり、電流入力チャンネルの入力はグラウンドになります。入力を短絡した状態でデータを収集し、所定数のサンプルから拡散符号とノイズ・フリー・コードの分解能を計算します。

ADC入力の実効値ノイズは、多数のサンプルの標準偏差をとって計算できます。各チャンネルの拡散符号とノイズ・フリー・コードの分解能を取得でき、データはヒストグラムに表示できます。図8と図9に、チャンネル1の電圧入力と電流入力で取得したサンプル・データのヒストグラムを示します。  

表5には、AD4111のノイズ性能について、データシートに記載されている値と、CN-0414ボードを使用して実際に決定したノイズとの比較を示します。

表4. CN-0414における、Sinc5 + Sinc1フィルタを使用した±10V電圧入力の実効値ノイズ分解能とODRの関係

表5. CN-0414における、Sinc5 + Sinc1フィルタを使用した0mA～20mA電流入力のノイズ分解能と出力データ・レートの関係 

HARTテスト 

HART機能は、HART物理層テスト仕様（HCF-TEST-2）に従ってテストしました。HART仕様の詳細については、HART協会から直接入手可能な他、技術記事、HARTとの互換性を容易にするフレキシブルな帯域幅の4mA～20mA電流入力でも説明されています。

物理層のHARTコンプライアンス・テストによって、波形、搬送波の開始／停止／減衰、搬送波の開始／停止トランジェント、無動作時の出力ノイズ、インピーダンス測定、ノイズ感度、搬送波検出レベル、搬送波検出開始／停止などが検証できます。

回路図、部品表、レイアウトなどを完備した、EVAL-CN0414-ARDZボードの設計サポート・パッケージは、www.analog.com/jp/CN0414-DesignSupportからダウンロードできます。