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          適合過程控制應(yīng)用的完整高速、高共模抑制比(CMRR)

          作者: 時間:2011-10-14 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          電路功能與優(yōu)勢
          工業(yè)控制系統(tǒng)中的信號電平通常為以下幾類之一:單端電流(4~20mA)、單端差分電壓(0~5V、0~10V、±5V、±10V)或者來自熱電偶或稱重傳感器等傳感器的小信號輸入。大共模電壓擺幅也非常典型,尤其是小信號差分輸入;因此,良好的共模抑制性能是模擬信號處理系統(tǒng)的一項重要特性。
          圖1所示的模擬前端電路經(jīng)過優(yōu)化,可在處理這些類型的工業(yè)級信號時提供高精度和高()。
          1.jpg

          圖1適合的高性能模擬前端(原理示意圖:未顯示所有連接和去耦)
          該電路會對信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和衰減,從而使信號可以與大多數(shù)現(xiàn)代單電源SAR ADC的輸入范圍要求兼容,如高性能、16位250kSPS PulSAR® ADCAD7685
          對于18Vp-p的輸入信號,該電路的共模抑制(CMR)性能約為105dB(100Hz時)和80dB(5kHz時)。
          高精度、高輸入阻抗和高CMR由儀表放大器AD8226提供。對于高精度應(yīng)用,需要具有高輸入阻抗,以便最大程度地減小系統(tǒng)增益誤差并實現(xiàn)出色的CMR。AD8226增益可以用電阻在1至1000范圍內(nèi)進(jìn)行編程設(shè)置。
          若直接在輸入端連接阻性電平轉(zhuǎn)換器/衰減器級,會因電阻之間出現(xiàn)失配,導(dǎo)致CMR性能下降。AD8226可以提供小信號和大信號輸入所需的出色CMR性能。無需任何外部元件,電平轉(zhuǎn)換器/衰減器/驅(qū)動器AD8275即可在該電路中執(zhí)行衰減和電平轉(zhuǎn)換功能。
          由于信號帶寬相對較低,Σ-Δ型ADC通常用于高分辨率測量系統(tǒng),而且Σ-Δ架構(gòu)可以在低更新速率條件下提供出色的噪聲性能。不過,在越來越多的設(shè)計中,尤其是多通道系統(tǒng),更新速率不斷提高,以便更快地更新各通道或增加通道密度。這種情況下,高性能SAR ADC是不錯的替代之選。圖1所示電路采用250kSPS 16位ADC AD7685、高性能儀表放大器AD8226和衰減器/電平轉(zhuǎn)換器/放大器AD8275并配置為完整的系統(tǒng)解決方案,無需任何外部元件。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/187262.htm

          電路描述
          此電路內(nèi)置一個軌到軌輸出儀表放大器AD8226,并連接到G=0.2差動放大器AD8275的正輸入端,該差動放大器的輸出端則連接到16位、250kSPS、采用MSOP/QFN封裝的PulSAR ADC AD7685的輸入端。AD8226的增益設(shè)置為1(高電壓/電流輸入),且其輸出以地為參考。可以使用單端或差分輸入。AD8226的輸出為雙極性信號,用于驅(qū)動AD8275輸入。AD8275用于對該雙極性輸入進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換,從而提供0.2的增益。因此,在其輸入端輸入20Vp-p的差分信號時,輸出端將產(chǎn)生4Vp-p的單端信號。4.5V精密基準(zhǔn)電壓源ADR439用于為AD8275提供內(nèi)部共模偏置電壓(VREF/2=2.25V),以及為AD7685 ADC提供外部基準(zhǔn)電壓。在這些條件下,AD8275的輸出擺幅為+0.25~+4.25V,位于AD7685的0~+4.5V工作范圍內(nèi)。
          ADP1720用于為AD8275和AD7685提供5V電源。之所以選擇ADP1720是因為其具有高輸入電壓范圍(高達(dá)28V)。在此電路中,ADP1720只需為AD8275和AD7685提供約4mA的電流,因此在最差情況下,28V輸入時調(diào)節(jié)器的功耗約為90mW,這使得整個系統(tǒng)可以采用外部±15V電源供電。
          系統(tǒng)級共模抑制性能
          初始測試用于在系統(tǒng)級驗證至ADC的AD8226共模抑制性能。采用的輸入測試信號音為10Hz、100Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz,而輸入信號為18Vp-p。測試結(jié)果如表1所示。在測試1中,AIN+和AIN−信號短接并連接到交流測試信號音,然后以FFT測量結(jié)果。由于輸入端連接在一起,因此AD8226應(yīng)當(dāng)會抑制交流信號。在測試2中,信號施加于AIN+,而AIN−接地。在這些條件下,F(xiàn)FT測量信號音電平。然后,通過計算測試1和測試2中FFT結(jié)果之間的差值即可得到共模抑制值。表1列出了不同頻率下獲得的CMR值。必須注意,AD8226在5kHz時的CMR額定值為80dB,因此可在系統(tǒng)級實現(xiàn)CMR性能無損。

          系統(tǒng)級交流性能
          此外還要在系統(tǒng)級測試系統(tǒng)的交流精度,此時AD7685的工作采樣速率為250 kSPS。圖2所示為10 kHz、5V p-p輸入時的FFT測試結(jié)果。圖中所示的結(jié)果如下:
          •信噪比(SNR)=87.13dBFS
          •信納比(SINAD)=85.95dBFS
          •無雜散動態(tài)范圍(SFDR)=81.82dBc
          •總諧波失真(THD)=−78.02dBc
          表1 18Vp-p輸入時電路的CMR性能
          f.jpg

          圖2 10kHz輸入信號、滿量程以下14dB、250 kSPS的FFT結(jié)果
          該電路或任何高速電路的性能都高度依賴于適當(dāng)?shù)腜CB布局,包括但不限于電源旁路、受控阻抗線路(如需要)、元件布局、信號布線以及電源層和接地層。(有關(guān)PCB布局的詳情,請參見 MT-031教程、MT-101教程和 高速印刷電路板布局實用指南一文。)
          有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計支持包,請參閱http://www.analog.com/CN0213-DesignSupport
          常見變化
          經(jīng)驗證,采用圖中所示的元件值,該電路能夠穩(wěn)定地工作,并具有良好的精度??墒褂闷渌鸄DI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來代替AD7685,從而進(jìn)一步提高速度/分辨率或性能。AD7688提供真差分輸入,以便取得更佳CMR性能。18位ADCAD7982能夠以高達(dá)1MSPS的速度提供更高分辨率,并且還提供全差分。漏斗放大器AD8475也可接受高電壓雙極性輸入,并提供衰減、電平轉(zhuǎn)換和差分輸出,因此非常適合使用差分輸入ADC的工業(yè)應(yīng)用(參見電路筆記CN-0180)。

          電路評估與測試
          該電路采用系統(tǒng)演示平臺(SDP)進(jìn)行測試。SDP平臺包含必要的ADC驅(qū)動器以及至PC的USB連接。從ADC采樣的數(shù)據(jù)由SDP板通過USB發(fā)送至PC。然后利用ADC公司提供的標(biāo)準(zhǔn)ADC LabVIEW評估軟件工具生成FFT曲線圖。測試設(shè)置的功能框圖如圖3所示,而電路板照片如圖4所示。
          用于收集測試數(shù)據(jù)的設(shè)備
          • 帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows®7(32位)PC
          • EVAL-A-INPUT-1AZ電路評估板
          • EVAL-SDP-CB1Z、SDP-A評估板

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