Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7708輸入隔離電路設(shè)計(jì)

AD7708是一種多通道16位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。它支持4或5通道真正差分輸入以及8或10信道偽差分輸入。這種芯片允許兩路信號(hào)同時(shí)轉(zhuǎn)換，從而提高了多路轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的吞吐率。其片內(nèi)還包括可切換的電流源、低端電源開(kāi)關(guān)和一個(gè)溫度傳感器。該ADC在3V電源供電時(shí)，在正常工作方式下，功耗電流為2mA；在待機(jī)方式下，功耗電流小于10μA。AD7708適合寬動(dòng)態(tài)范圍和低頻應(yīng)用的低成本、低功耗和性能完整的模擬前端解決方案，并且能對(duì)傳感器的輸出信號(hào)直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而無(wú)需信號(hào)調(diào)理。輸入通道可以編程設(shè)置為8檔量程從20mV到2.56V；輸入信號(hào)可以被設(shè)置為緩沖方式，在緩沖方式下能消除大的源阻抗的影響并通過(guò)一個(gè)RC濾波器對(duì)噪聲進(jìn)行濾波和衰減RFI；所有的輸入信號(hào)都可以直接接入而不需要其他的信號(hào)放大環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)理，使其更適用于寬動(dòng)態(tài)范圍和低頻信號(hào)的測(cè)量，如溫度、應(yīng)力、壓力傳感器等信號(hào)。得益于這種新型ADC的具體應(yīng)用包括醫(yī)用電子儀器、工業(yè)過(guò)程控制、便攜式儀器、壓力傳感器、智能變送器、稱重、溫度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在實(shí)際的抗干擾應(yīng)用中，合理設(shè)計(jì)前端的隔離電路具有重要應(yīng)用。

AD7708輸入隔離電路設(shè)計(jì)

隔離電路的設(shè)計(jì)主要出于兩種考慮：第一，保護(hù)被測(cè)電路和測(cè)試電路，使其不至于因測(cè)試電路或被測(cè)電路的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。第二，減小環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試電路的影響。為保護(hù)后級(jí)設(shè)備、保證測(cè)量結(jié)果的有效性，測(cè)試電路與被測(cè)電路必須做到嚴(yán)格的電氣隔離，隔離電路應(yīng)具有較高的精度。電路的成本和體積也要符合工程需要。TI公司的精密線性光耦TIL300是隔離器件的新產(chǎn)品。我們采用該器件和Burr－Brown公司的高隔離DC－DC芯片DCP0105完成了模擬量的隔離電路。

TIL300是一個(gè)由紅外光LED照射分叉配置的隔離反饋光二極管和一個(gè)輸出光二極管組成。該器件采用特殊制造技術(shù)來(lái)補(bǔ)償LED時(shí)間和溫度特性的非線性，使輸出信號(hào)與LED發(fā)出的伺服光通量成線性比例。TIL300的外圍配置電路如圖1所示。

圖1 TIL300的外圍配置電路

實(shí)際電路如圖2。隔離電路中，R1調(diào)節(jié)初級(jí)運(yùn)放輸入偏置電流的大小，C3起反饋?zhàn)饔茫瑫r(shí)濾除電路中的毛刺信號(hào)，避免TIL300的紅外光LED受到意外的沖擊。但是隨著頻率的提高，其阻抗將變小，TIL300的初級(jí)電流增大，增益隨之變大，因而C3的引入對(duì)通道在高頻時(shí)的通道增益有一定影響。雖然減小C3的值可以拓展帶寬，但是這樣會(huì)影響初級(jí)運(yùn)放的增益，同時(shí)，初級(jí)運(yùn)放輸出的較大毛刺信號(hào)不易被濾除。在我們應(yīng)用系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)頻率遠(yuǎn)低于300kHz，取C3為4.7μF，其容抗不小于0.012。這時(shí)，設(shè)計(jì)帶寬B≈1/R3 MHz。R3可以控制LED的發(fā)光強(qiáng)度，從而對(duì)控制通道增益起了一定作用。R2用于調(diào)節(jié)輸出運(yùn)放負(fù)反饋的深度?！?/p>

由此可見(jiàn)，在C3已確定時(shí)，調(diào)整R1、R2、R3的值，可以在一定帶寬下調(diào)整通道增益。對(duì)于被測(cè)量較小的系統(tǒng)，R1、R2應(yīng)取得稍小些，這樣在保證小信號(hào)測(cè)試精度的同時(shí)，可使通道增益基本不變。此外可以通過(guò)改變R4來(lái)實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的增益調(diào)整。反之，R1、R2應(yīng)取得稍大些，以保證通道的動(dòng)態(tài)范圍。R3根據(jù)LED的導(dǎo)通電流適當(dāng)選取。實(shí)際電路中參數(shù)R1=R2=250kΩ, R3=470kΩ, R4=1MΩ。

圖2 實(shí)際電路　　

用DCP0105將電路兩側(cè)的電源隔離開(kāi)來(lái)，其峰值隔離度為3500V，可以滿足系統(tǒng)的要求。電路中C1、C2是為改善DCP0105的輸出波形而引入的。由此可見(jiàn)，隔離電路以TIL300、DCP0105形成了分界線，左側(cè)與被測(cè)模擬量連接，右側(cè)與后級(jí)A/D變換連接。采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放的放大分兩路后送至TIL300，隔離放大后送入次級(jí)運(yùn)放。

結(jié)語(yǔ)

筆者所設(shè)計(jì)的AD7708前端隔離電路已經(jīng)成功應(yīng)用于某衛(wèi)星電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。