工業(yè)信號(hào)電平的單電源ADC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連接/參考器件

AD7176-2 24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC，建立時(shí)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(píng)估和設(shè)計(jì)支持

電路評(píng)估板

AD7176-2電路評(píng)估板(EVAL-AD7176-2SDZ)

系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢(shì)

對(duì)工業(yè)電平信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，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(shí)，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(duì)工業(yè)電平信號(hào)采樣進(jìn)行優(yōu)化，集成一個(gè)24位、 250 kSPS Σ-Δ型ADC.兩個(gè)差分通道或四個(gè)偽差分通道中的每一個(gè)都能夠以17.2位無(wú)噪聲代碼分辨率、最高50 kSPS的速率對(duì)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(guò)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(hào)并進(jìn)行數(shù)字化處理的問(wèn)題。本電路的應(yīng)用包括過(guò)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(hào)用高精度、24位ADC驅(qū)動(dòng)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(hào)施加于AD8475精密差分漏斗放大器上，該器件可將輸入信號(hào)衰減0.8倍或0.4倍。它集成經(jīng)過(guò)調(diào)整并匹配的精密電阻，用來(lái)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(shí)，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(guò)壓保護(hù)。

當(dāng)輸入信號(hào)(增益為0.4)處于±10 V單端或差分輸入范圍內(nèi)時(shí)，AD8475和AD7176-2器件組合能夠保持線性度，如圖4中的測(cè)量INL限值所示;圖中，測(cè)量端點(diǎn)分別為?10 V和+10 V.此時(shí)，AD8475的輸出擺幅介于0.5 V和4.5 V之間。

通過(guò)對(duì)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(guò)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(dòng)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(dòng)態(tài)充電。該網(wǎng)絡(luò)還可隔離放大器輸出，使其不受動(dòng)態(tài)開(kāi)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(hào)。將-IN 0.4×輸入接地，并對(duì)+IN 0.4×輸入施加單端信號(hào)。

AD7176-2 24位、Σ-Δ ADC對(duì)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(duì)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(gè)全差分輸入或四個(gè)偽差分輸入。ADC支持最高50 kSPS的通道掃描速率。AD7176-2的無(wú)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(shí)的總系統(tǒng)有效均方根噪聲。數(shù)據(jù)速率為250 kSPS時(shí)，有效均方根噪聲約為30 μV rms.請(qǐng)注意，滿量程時(shí)，本電路的線性度在±10 V輸入下達(dá)到最佳狀態(tài)，計(jì)算時(shí)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(jì)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(wú)噪聲代碼分辨率。計(jì)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(wú)噪聲代碼分辨率。如本例所示，經(jīng)計(jì)算后，19.3位有效分辨率相當(dāng)于16.6位無(wú)噪聲代碼分辨率。這一結(jié)果與AD7176-2在無(wú)緩沖短路輸入情況下，輸出數(shù)據(jù)速率為250 kSPS時(shí)的17.2位無(wú)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(diǎn)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

雖然本電路主要設(shè)計(jì)用于處理直流輸入，但它也能轉(zhuǎn)換低頻交流輸入。其失真性能隨模擬輸入幅度的變化而改變。圖5和圖6分別顯示-1 dBFS和-6 dBFS以及1 kHz正弦波情況下的性能。由Audio Precision 2700系列音頻源產(chǎn)生的正弦波直接輸入AD8475.

圖5. AD8475至AD7176-2的FFT性能(1 kHz、-1 dBFS輸入音、16384點(diǎn)FFT)

圖6. AD8475至AD7176-2的FFT性能(1 kHz、-6 dBFS輸入音、16384點(diǎn)FFT)

若要獲得最佳的高分辨率系統(tǒng)性能，則出色的印刷電路板(PCB)布局、接地以及去耦技巧是必不可少的。詳細(xì)信息，請(qǐng)參考指南MT-031、指南MT-101、AD8475數(shù)據(jù)手冊(cè)及AD7176-2數(shù)據(jù)手冊(cè)。欲查看完整原理圖和印刷電路板的布局，請(qǐng)參見(jiàn)CN-0310設(shè)計(jì)支持包。

常見(jiàn)變化

圖1所示電路中，AD8475所選增益為0.4.若選擇了0.8增益，則滿量程范圍將從±10 V下降到±5 V，導(dǎo)致靈敏度翻倍。

使用額外AD8475器件的第二條通道可連接AD7176-2的AN0/AN1引腳。

ADR445基準(zhǔn)電壓源可替換為具有300 mV壓差的ADR4550基準(zhǔn)電壓源。

電路評(píng)估與測(cè)試

設(shè)備要求

需要使用以下設(shè)備：

EVAL-AD7176-2SDZ評(píng)估板和軟件

系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)

精密直流電壓源

Audio Precision 2700系列(交流輸入)

PC(Windows 32位或64位)

7 V至9 V直流電源或壁式電源

軟件安裝

AD7176-2評(píng)估套件包括一張光盤(pán)，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP (SP2)、Windows Vista和Windows 7(32位或64位)。如果安裝文件未自動(dòng)運(yùn)行，可以運(yùn)行光盤(pán)中的setup.exe文件。

請(qǐng)先安裝評(píng)估軟件，再將評(píng)估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識(shí)別評(píng)估系統(tǒng)。

完成光盤(pán)安裝后，將EVAL-SDP-CB1Z(通過(guò)連接器A或連接器B)連接到EVAL-AD7176-2SDZ，然后利用附送的電纜將EVAL-SDP-CB1Z連接到PC的USB端口。

檢測(cè)到評(píng)估系統(tǒng)后，確認(rèn)出現(xiàn)的所有對(duì)話框。這樣就完成了安裝。

設(shè)置與測(cè)試

有關(guān)使用軟件和運(yùn)行測(cè)試的完整詳細(xì)信息，請(qǐng)參考UG-478用戶指南。

圖7顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖。

若要測(cè)試圖1中的電路，硬件需要經(jīng)過(guò)下文所述的微小改變：

信號(hào)從位于J8端子板上的A2和A3輸入端輸入到AD8475.

改變連接到位置C的SL9和SL10焊點(diǎn)，可將來(lái)自J8的A2和A3信號(hào)路由至AD8475輸入端。

安裝10 Ω (0603)阻值的R64和R74，將AD8475輸出連接至AD7176-2的AIN2和AIN3引腳。

移除板卡底部的R110和R120電阻(如UG-478用戶指南中所示)。

圖7. 測(cè)試設(shè)置功能框圖