用于工業(yè)信號電平的精密24位、250 kSPS單電源Σ-Δ型ADC系統(tǒng)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
連接/參考器件
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/175523.htmAD7176-2 24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC，建立時間20 μs
AD8475 精密、可選增益、全差分漏斗放大器
ADR445 5 V超低噪聲LDO XFET基準(zhǔn)電壓源
評估和設(shè)計支持
電路評估板
AD7176-2電路評估板(EVAL-AD7176-2SDZ)
系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)
設(shè)計和集成文件
原理圖、布局文件、物料清單
電路功能與優(yōu)勢
對工業(yè)電平信號進(jìn)行采樣時，必須提供快速高分辨率轉(zhuǎn)換信息。通常，當(dāng)采樣速率達(dá)到500 kSPS時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)具有的最高分辨率為14位至18位。圖1所示電路是一款單電源系統(tǒng)，針對工業(yè)電平信號采樣進(jìn)行優(yōu)化，集成一個24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC。兩個差分通道或四個偽差分通道中的每一個都能夠以17.2位無噪聲代碼分辨率、最高50 kSPS的速率對其進(jìn)行掃描。
本電路利用創(chuàng)新型差分放大器和內(nèi)置激光調(diào)整電阻執(zhí)行衰減和電平轉(zhuǎn)換，通過具有低電源電壓的精密ADC可以解決獲取±5 V、±10 V和0 V至10 V的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電平信號并進(jìn)行數(shù)字化處理的問題。本電路的應(yīng)用包括過程控制（PLC/DCS模塊）、醫(yī)療以及科學(xué)多通道儀器和色譜儀。
圖1. 工業(yè)信號用高精度、24位ADC驅(qū)動器（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）
電路描述
工業(yè)電平信號施加于AD8475精密差分漏斗放大器上，該器件可將輸入信號衰減0.8倍或0.4倍。它集成經(jīng)過調(diào)整并匹配的精密電阻，用來控制衰減。當(dāng)AD8475使用5 V單電源并且增益設(shè)置為0.4時，此電阻支持最高±12.5 V的單端或差分輸入。器件提供最高±15 V的輸入過壓保護(hù)。
當(dāng)輸入信號（增益為0.4）處于±10 V單端或差分輸入范圍內(nèi)時，AD8475和AD7176-2器件組合能夠保持線性度，如圖4中的測量INL限值所示；圖中，測量端點分別為?10 V和+10 V。此時，AD8475的輸出擺幅介于0.5 V和4.5 V之間。
通過對VOCM引腳施加所需的共模電壓，便可設(shè)置共模輸出。圖1所示電路中，通過將AD7176-2 ADC的2.5 V REFOUT電壓施加于AD8475的VOCM引腳，完成共模電壓的設(shè)置。
AD8475提供衰減和電平轉(zhuǎn)換，以便驅(qū)動AD7176-2的采樣電容輸入；功耗僅為3.2 mA。
AD8475放大器的輸出連接到RC濾波器網(wǎng)絡(luò)，可提供差分和共模噪聲濾波以及AD7176-2輸入采樣電容所需的動態(tài)充電。該網(wǎng)絡(luò)還可隔離放大器輸出，使其不受動態(tài)開關(guān)電容輸入的反沖影響。共模帶寬（RIN、C1）為59 MHz。差模帶寬（2 × RIN、0.5C1 + C3）為9.8 MHz
還可設(shè)置AD8475，使其接受單端信號。將-IN 0.4×輸入接地，并對+IN 0.4×輸入施加單端信號。
AD7176-2 24位、Σ-Δ ADC對AD8475的輸出進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。轉(zhuǎn)換速率和數(shù)字濾波器特性可針對5 SPS至250 kSPS的輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
AD7176-2可配置為兩個全差分輸入或四個偽差分輸入。ADC支持最高50 kSPS的通道掃描速率。AD7176-2的無噪聲位性能為17.2位(250 kSPS)；20.8位(1 kSPS)；以及21.7位(50 SPS)。
圖2表示輸入接地時的總系統(tǒng)有效均方根噪聲。數(shù)據(jù)速率為250 kSPS時，有效均方根噪聲約為30 μV rms。請注意，滿量程時，本電路的線性度在±10 V輸入下達(dá)到最佳狀態(tài)，計算時滿量程輸入設(shè)為20 V p-p。
圖2. 均方根輸出噪聲與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系
有效分辨率以位數(shù)表示，折合到20 V滿量程輸入范圍的計算公式為：
有效分辨率 = log2(FSR/均方根噪聲)
有效分辨率 = log2(20 V/30 μV) = 19.3位
圖3. 有效分辨率（均方根位數(shù)）與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系
先將均方根噪聲轉(zhuǎn)換為峰峰值噪聲近似值（均方根噪聲乘以系數(shù)6.6），有效分辨率便可轉(zhuǎn)換為無噪聲代碼分辨率。計算結(jié)果約為2.7位，隨后將其從有效分辨率中扣除，以得到無噪聲代碼分辨率。如本例所示，經(jīng)計算后，19.3位有效分辨率相當(dāng)于16.6位無噪聲代碼分辨率。這一結(jié)果與AD7176-2在無緩沖短路輸入情況下，輸出數(shù)據(jù)速率為250 kSPS時的17.2位無噪聲位規(guī)格相比，大約有0.3位的差異。這是由于本例僅采用±10 V作為滿量程范圍，而非±12.5 V的最大值。
圖4顯示采用端點法獲得的系統(tǒng)積分非線性，用滿量程(FSR)的ppm表示。
圖4. 積分非線性（INL，以FSR的ppm表示）與輸入電壓的關(guān)系
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