低成本16位 250 kSPS 8通道隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是高性價比、高度集成的16位、250 kSPS、8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可對±10 V工業(yè)級信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。該電路還可在測量電路與主機(jī)控制器之間提供2500 V rms隔離，整個電路采用隔離式PWM控制5 V單電源供電。

　　圖1. 16位、250 KSPS、8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

　　電路描述

　　此電路配合 16位、8通道、250 kSPS PulSAR ADC AD7689 和兩個低成本精密四通道運算放大器 AD8608 使用，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)提供所有信號調(diào)理和數(shù)字化功能。另外僅需要AD8605運算放大器，用于緩沖AD7689的基準(zhǔn)電壓。

　　AD8605 和AD8608分別是低成本單通道和四通道軌到軌輸入和輸出CMOS放大器。AD8608可對±10 V輸入信號進(jìn)行反轉(zhuǎn)、電平轉(zhuǎn)換和衰減，以便匹配ADC的輸入范圍，當(dāng)使用+4.096 V基準(zhǔn)電壓源和+5 V單電源時，輸入范圍為0 V至+4.096 V。

　　AD8605用作外部基準(zhǔn)電壓緩沖器，為電平轉(zhuǎn)換提供足夠的驅(qū)動能力。AD8605和AD8608具有極低的失調(diào)電壓、低輸入電壓和電流噪聲以及寬信號帶寬，因此適合各種應(yīng)用。AD8608的低電流和電壓噪聲可確保電阻噪聲是高輸入阻抗輸出噪聲的主要因素。本電路中的輸入阻抗（等于R1）為50 kΩ。

　　16位、8通道、250 kSPS PulSAR ADC AD7689內(nèi)置多通道低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的所有元件。它包括一個16位SAR ADC、一個8通道低串?dāng)_多路復(fù)用器、一個低漂移基準(zhǔn)電壓源和緩沖器、一個溫度傳感器、一個可選單極點濾波器和一個通道序列器。序列器可用于連續(xù)掃描通道，且不需要微控制器或FPGA來控制通道開關(guān)。AD7689采用20引腳、4 mm &TImes; 4 mm LFCSP小尺寸封裝，因此成本和印刷電路板（PCB）面積降至最低。工作溫度范圍為−40°C至+85°C。5 V電源、250 kSPS時的功耗為12.5 mW（典型值）。

　　ADuM3471為四通道數(shù)字隔離器，集成PWM控制器和變壓器驅(qū)動器用以驅(qū)動隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。ADuM3471為電路提供5 V、2 W隔離電源，并在SPI接口隔離數(shù)字信號。

　　模擬前端設(shè)計

　　在過程控制和工業(yè)自動化系統(tǒng)中，典型的信號電平最高可達(dá)±10 V。圖1電路使用具有衰減和電平轉(zhuǎn)換功能的反相放大器，將±10 V信號轉(zhuǎn)換為適合ADC范圍的信號。

　　電路公式如下：

　　前端信號增益（−R2/R1）設(shè)置為−0.2，使得到達(dá)ADC的信號范圍為4 V峰峰值。這與0 V至4.096 V的輸入范圍（等于基準(zhǔn)電壓VREF）相適合。

　　對于O V輸入信號，運算放大器的輸出應(yīng)位于中間電平或0.5 VREF。

　　把公式1代入公式2，得到

　　運算放大器輸入端的共模電壓通過下式計算：

　　For R3/R4 = 1.4 且 VREF = 4.096 V時，運算放大器的共模電壓為1.7 V。

　　每個AD8608內(nèi)有四個放大器，四個同相輸入短接在一起并連接到電阻分壓器R3/R4。第二個分壓器用于第二個AD8608。要消除運算放大器輸入偏置電流，

　　電路輸入阻抗為R1，理想情況下應(yīng)較高。不過，電阻熱噪聲與電阻平方根成正比，因此系統(tǒng)噪聲性能隨該電阻值增加而下降。要決定最佳值，需要對噪聲進(jìn)行簡單分析。

　　根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，最大信號頻率成分應(yīng)小于最大采樣速率的一半。AD7689 250 kSPS采樣速率產(chǎn)生125 kHz的奈奎斯特頻率。為了將此帶寬內(nèi)的信號衰減降至最低，前端的−3 dB截止頻率被設(shè)計為奈奎斯特頻率的大約12倍或1.5 MHz。

　　此電路的噪聲模型如圖2所示。本電路中有三種噪聲源：電阻噪聲、放大器電壓噪聲和放大器電流噪聲。每個噪聲源的均方根值如表1所示。有關(guān)運算放大器噪聲的詳情，請參見應(yīng)用筆記 AN-358和教程 MT-047、 MT-048和 MT-049。

　　圖2. AD8608反相配置的噪聲模型

　　在目標(biāo)帶寬內(nèi)，ADC之前的總均方根噪聲應(yīng)小于0.5 LSB，以便ADC可對輸入信號進(jìn)行正確數(shù)字轉(zhuǎn)換。

　　電阻噪聲可通過下式計算：

　　其中R單位為Ω。

　　使用圖1所示電阻值和1.5 MHz帶寬時的噪聲性能總結(jié)在表1中。

　　這些不相關(guān)噪聲電壓以“方和根”形式相加；因此1.5 MHz帶寬內(nèi)的總運算放大器輸出均方根噪聲約為21.3 μV。對于4.096 V基準(zhǔn)電壓，16位LSB為62.5 μV。21.3 μV的均方根噪聲小于0.5 LSB，所以圖1所示電阻值適合本應(yīng)用。

　　請注意，總輸出噪聲的最大來源是電阻R2，在本電路中為10 kΩ。減小R2值需要R1成比例下降，從而降低輸入阻抗。

　　AD8608的輸入電流噪聲很小，除非使用極大電阻值，否則不會成為重要因素。AD8605和AD8608的低輸入電流噪聲和輸入偏置電流使其成為高阻抗傳感器（例如光電二極管）的理想放大器。

　　與R2并聯(lián)地添加C1電容，以形成單極點、有源低通濾波器。帶寬使用公式7計算。假定使用1.5 MHz、−3 dB帶寬，C1約為10 pF。本電路中，考慮到PCB板的寄生效應(yīng)，選擇8.2 pF值。

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

　　AD7689是一款現(xiàn)代SAR ADC，使用內(nèi)部開關(guān)電容DAC。由于采用SAR架構(gòu)，轉(zhuǎn)換過程中無流水線延遲，從而大大簡化多路復(fù)用操作。圖3顯示等效模擬輸入電路。小瞬態(tài)電流以采樣頻率注入模擬輸入，由R5和C2組成的外部濾波器網(wǎng)絡(luò)減小了它對運算放大器輸出的影響。此外，濾波器帶寬為2.7 MHz，可減少ADC輸入端的噪聲。

　　圖3. AD7689的等效模擬輸入電路

　　在4.096 V或2.5 V可選基準(zhǔn)電壓下，此電路的輸入范圍可在±10 V和±6 V之間切換，而不會降低系統(tǒng)分辨率。

　　內(nèi)部溫度傳感器可用于監(jiān)控AD7689的結(jié)溫，實現(xiàn)精密應(yīng)用中的系統(tǒng)校準(zhǔn)和溫度補償。

　　隔離電源和數(shù)字I/O的單芯片解決方案

　　ADuM3471是用于電源和數(shù)字I/O隔離的單芯片解決方案。隔離電壓為2500 V rms（UL 1577器件認(rèn)可）。ADuM3471提供4通道隔離式I/O端口，并集成用于隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的PWM控制器和變壓器驅(qū)動器。配合一些外部元件使用時，ADuM3471可通過任何調(diào)節(jié)電壓（3 V至24 V）提供2 W隔離電源。必要的外部元件是一個用于電能傳輸?shù)淖儔浩鳌蓚€用于全波整流的肖特基二極管、一個用于紋波抑制的LC濾波器和兩個用于設(shè)置輸出電壓的反饋電阻。詳情參見ADuM3471數(shù)據(jù)手冊和圖1。

　　布局考量

　　該電路或任何高速/高分辨率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、信號路由以及適當(dāng)?shù)碾娫磳雍徒拥貙?。有關(guān)PCB布局的詳細(xì)信息，請參見教程 MT-031、 教程 MT-101和 高速印刷電路板布局實用指南（《模擬對話》一文。

　　有關(guān)CN-0254的完整設(shè)計支持包，包括原理圖、電路板布局和BOM，請參閱http://www.analog.com/CN0254-DesignSupport。

　　系統(tǒng)性能

　　圖4顯示評估板端子板上的CH0至CH7短接到GND時，10，000個ADC的代碼樣本（1 kSPS時需要1秒）的曲線圖。請注意，95%的代碼處于4 LSB，峰峰值分布約為7 LSB。這對應(yīng)于約7 ÷ 6.6 = 1.1 LSB的均方根值。

　　圖4. 0 V DC輸入時的直方圖，10，000個樣本

　　交流性能如圖5所示。采樣速率250 kSPS由系統(tǒng)演示平臺 （EVAL-SDP-CB1Z SDP）控制，包括信號窗口和FFT的數(shù)字信號處理通過CN-0254評估軟件在PC上計算。輸入正弦波形為20 kHz音頻，由低失真BK正弦發(fā)生器Type 1051提供。

　　圖5. KAISER窗口（參數(shù) = 20）、20 KHZ輸入、250 KSPS采樣速率下的FFT

　　常見變化

　　對于需要更高采樣速率的應(yīng)用，AD7699采樣速率高達(dá)500 kSPS，是AD7689的理想引腳替代產(chǎn)品。

　　AD8615、 AD8616 和 AD8618 分別為單通道/雙通道/四通道精密、CMOS、軌到軌輸入/輸出運算放大器，帶寬最高可達(dá)20 MHz?？捎糜趲捫枨蟊華D8605/AD8608 系列更高的應(yīng)用。

　　ADR3412 （1.200 V）、ADR3420 （2.048 V）、ADR3425 （2.500 V）、ADR3430 （3.000 V）、ADR3433 （3.300 V）、ADR3440 （4.096 V） 和 ADR3450 （5.000 V）均為低成本、低功耗、高精度CMOS基準(zhǔn)電壓源，具有±0.1%的初始精度、低工作電流和低輸出噪聲特性，采用SOT-23小型封裝。如果需要，這些器件可代替AD7689內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。

　　ADuM3470、 ADuM3471、ADuM3472、ADuM3473和ADuM3474 非常適合需要電源和數(shù)字I/O隔離的應(yīng)用。ADuM120x 和 ADuM140x系列用于隔離式I/O擴(kuò)展。針對高數(shù)據(jù)速率，ADuM344x系列最高支持150 Mbps。