搞定電路設(shè)計之適于樹莓派的±10V模擬輸入和±15V模擬輸出I/O模塊

雖然世界繼續(xù)更加數(shù)字化，計算能力和數(shù)字功能愈發(fā)關(guān)鍵，但測量環(huán)境和與實際器件交互的需求仍然是一種模擬功能。為了在數(shù)字和模擬域的邊界運行，處理器必須包括混合信號輸入/輸出，并適應(yīng)更多的軟件可編程范圍，從而支持許多工業(yè)、儀器儀表和自動化應(yīng)用。

圖1所示的電路是一個靈活的多通道混合信號模擬輸入/輸出(I/O)模塊。16個單端模擬輸出可通過軟件配置，支持范圍為0V至5V、±5V、0V至10V和±15V。8個全差分模擬輸入通道的輸入范圍為0V至2.5V、±13.75V和0V至27.5V，可通過硬件進行選擇。

圖1 ADI CN0554簡化功能框圖

該電路可直接安裝在樹莓派的頂部，為這款受歡迎的單板計算機提供模擬I/O接口。可通過Linux工業(yè)輸入/輸出(IIO)框架訪問軟件控制，提供各種調(diào)試和開發(fā)實用程序，以及支持C、C#、MATLAB、Python等語言綁定的跨平臺應(yīng)用程序編程接口(API)。

軟件可以在樹莓派上本地運行，也可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接進行遠程控制。模塊的5V電源通過樹莓派接口連接器提供，不需要額外的電源。所有這些特性使該系統(tǒng)適用于低功耗、本地和遠程、精密模擬I/O應(yīng)用。

評估和設(shè)計支持

■   電路評估板

■   ADI CN0554電路評估板(EVAL-CN0554-RPIZ)

■   設(shè)計和集成文件

■   原理圖、布局文件、物料清單、軟件

電路描述

ADI CN0554為精密應(yīng)用提供完整的模擬I/O系統(tǒng)。該電路可細分為兩個主要組件：模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)。

●   模擬輸入

CN0554可通過板載LT5400外部匹配電阻網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)高達11倍輸入衰減的模擬輸入電壓范圍。該器件通過跳線選擇增加了模擬輸入電壓范圍。

表1顯示了CN0554的完整跳線配置和相應(yīng)的模擬輸入電壓范圍。

表1 模擬輸入范圍

●   模數(shù)轉(zhuǎn)換

CN0554包含具有可配置模擬輸入的24位Σ-Δ ADC——AD7124-8。8個全差分輸入通道或16個單端輸入通道可通過軟件配置，并提供可編程增益、濾波器設(shè)置和輸出數(shù)據(jù)速率。

外部基準電壓可通過跳線進行選擇，可以是AD7124-8的內(nèi)部帶隙基準電壓源，也可以是高精度、低功耗和低噪聲基準電壓源ADR4525的2.5V輸出。由于基準電壓漂移直接影響ADC的精度，CN0554使用外部基準電壓源，因為與內(nèi)部基準電壓源相比，其溫度漂移性能更佳。

AD7124-8的Σ-Δ架構(gòu)在小信號傳感器測量，甚至工業(yè)等高噪聲環(huán)境中均提供高分辨率和噪聲抑制。輸出數(shù)據(jù)速率的可編程范圍為1.17SPS至19.2kSPS，相應(yīng)的測量分辨率分別為24nV rms至72μV rms；有幾種濾波器模式可用。這使得CN0554的分辨率、數(shù)據(jù)速率和噪聲抑制能夠針對廣泛的應(yīng)用進行優(yōu)化。

●   數(shù)模轉(zhuǎn)換

CN0554包含16個使用LTC2688電壓輸出DAC的單端16位模擬輸出。每個通道都有一個內(nèi)部軌到軌輸出緩沖區(qū)，可提供或接收高達20mA的電流。

LT8582為LTC2688提供±18V電源軌，使DAC能夠充分利用其高達±15V的模擬輸出范圍。每個通道的輸出范圍可獨立編程為表2中列出的五個范圍?；鶞孰妷嚎赏ㄟ^軟件編程，可使用內(nèi)部4.096V，或?qū)DR4525 2.5V基準電壓源用于ADC。每個通道還支持5%的超量程。

表2 電壓輸出范圍調(diào)整

●   切換和抖動功能

CN0554同時支持切換和抖動功能。切換功能可以在兩個不同的DAC代碼之間快速切換DAC輸出，而無需任何SPI事務(wù)，從而消除了通信事務(wù)。示例包括注入一個小的直流偏置或在通斷狀態(tài)之間獨立切換。

抖動減少了精密應(yīng)用中的量化誤差，并通過在多個輸出代碼上擴展非線性來完成。此功能在許多需要將交流信號疊加在信號的平均直流值附近的應(yīng)用中很有幫助。例如，在光學應(yīng)用中，光路的次級特性可通過其對小交流信號的響應(yīng)來測量。此外，抖動減少了滑閥等機械系統(tǒng)中的粘滯，加快了滑閥位置變化時的響應(yīng)速度。

■   切換操作

如圖2所示，每個通道都支持切換操作，可在通過軟件設(shè)置的兩個值之間切換輸出電壓。切換由切換信號控制，該信號可從樹莓派或內(nèi)部軟件控制寄存器的三個不同外部數(shù)字輸入（TGP0、TGP1和TGP2）中獲取。其中兩個數(shù)字信號TGP0和TGP1連接到樹莓派數(shù)字輸出，支持脈沖寬度調(diào)制(PWM)。

圖2 切換和抖動操作框圖

圖3顯示了CN0554執(zhí)行的切換操作示例。根據(jù)切換引腳，輸出電壓在零電平和滿量程值之間擺動，在1kHz時測量的峰峰值電壓為33.0V。

圖3 零電平至滿量程輸出電壓切換

■   抖動操作

在CN0554中，每個通道還支持將正弦抖動信號添加到模擬輸出的抖動操作。正弦曲線是使用查找表生成的，查找表中的值來自等式1。

   (1)

其中：

n = 0, 1, 2, … N — 1。

N是信號周期。

φ0是信號相位角，初始信號相位。

CN0554可配置抖動信號的幅度、周期和相位角。

抖動信號的幅度通過軟件設(shè)置，可以在設(shè)置的最大輸出電壓的0%到25%之間。

為了設(shè)置抖動頻率，需要抖動時鐘輸入，并且可以從樹莓派的三個外部數(shù)字輸入TGP0、TGP1和TGP2中選擇。其中兩個外部輸入TGP0和TGP1連接到樹莓派數(shù)字輸出，具有PWM特性，可輕松配置時鐘頻率。

抖動信號的頻率通過由4、8、16、32和64軟件可配置分頻器分頻的抖動時鐘輸入來設(shè)置，從而使用等式2來計算由此產(chǎn)生的抖動信號的頻率：

   (2)

其中：

fsignal是產(chǎn)生的抖動信號的頻率。

fPWM是PWM時鐘頻率。

N是分頻器。

抖動相位角可配置為四個不同的值：0、90、180和270。所有這些參數(shù)有助于精確控制抖動DAC通道輸出。

圖4顯示了CN0554在最大信號周期的中間電平輸出電壓下執(zhí)行的抖動操作示例，在1kHz抖動時鐘下，峰峰值電壓為15.04V。

圖4 最大信號周期時的中間電平輸出電壓

圖5顯示了在最小信號周期的中間電平輸出電壓下執(zhí)行的抖動操作，在1kHz抖動時鐘下，峰峰值電壓為17.6V。

圖5 最小信號周期時的中間電平輸出電壓

●   系統(tǒng)性能

■   模擬輸入噪聲性能

圖6顯示了中間電平輸入(5V)時的噪聲特性，圖7顯示了滿量程輸入(10V)時的噪聲特性。

圖6 中間電平模擬輸入噪聲直方圖

圖7 滿量程模擬輸入噪聲直方圖

■   模擬輸出噪聲性能

LT8582的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出經(jīng)過旁路和濾波，以降低噪聲。圖8顯示了零電平輸出時的交流耦合信號噪聲，其在14.4mV時具有非常低的峰峰值噪聲。

圖8 來自ADC和DAC通道環(huán)回的零電平AC耦合噪聲信號

圖9顯示了中間電平輸出時產(chǎn)生的13.4mV峰峰值噪聲。

圖9 來自ADC和DAC通道環(huán)回的中間電平AC耦合噪聲信號

在圖10中，電路板在滿量程輸出時產(chǎn)生了17.6mV的最高峰峰值噪聲。

圖10 來自ADC和DAC通道環(huán)回的滿量程AC耦合噪聲信號

■   模擬輸出線性

積分非線性(INL)是指與通過DAC轉(zhuǎn)換函數(shù)端點的直線的最大偏差（單位：LSB）。此外，差分非線性(DNL)是任意兩個相鄰代碼之間測得的變化值與理想的1LSB變化值之間的差異。最大±1LSB的額定差分非線性可確保單調(diào)性。

圖11顯示了輸出電壓的DNL（單位：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設(shè)置值的對比。

圖11 輸出電壓的差分非線性

圖12顯示了輸出電壓的INL（單位：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設(shè)置值的對比。

圖12 輸出電壓的積分非線性

●   電源架構(gòu)

CN0554直接從樹莓派40引腳接口連接器獲取電源。圖13顯示了CN0554的完整電源樹。

圖13 CN0554電源樹

LT8582是一個雙獨立通道開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器，負責樹莓派5V電源的升壓和反相。

LT8582輸出18V和-18V軌，然后用于為ADC和DAC提供必要的電源軌。CN0554還通過LT8582的故障保護特性提供輸入過壓和過熱保護。

ADM7160超低噪聲、低壓差穩(wěn)壓器為AD7124-8提供3.3V模擬電源軌。該穩(wěn)壓器由樹莓派接口連接器上的5V電源軌供電。AD7124-8數(shù)字I/O電源直接連接到樹莓派的3.3V電源軌。

LT3090將-18V電源軌調(diào)節(jié)至-0.1V，為AD7124-8提供略微為負的模擬電源。電源軌設(shè)計成即使在啟用輸入緩沖器的情況下，絕對模擬輸入電壓也能覆蓋從接地到基準電壓的整個范圍。

常見變化

AD7124-4可用于代替AD7124-8，只有8個單端和/或4個差分通道；這降低了無需額外通道的應(yīng)用成本。

LTC2686是LTC2688的8通道替代品。它具有55mA的更高輸出驅(qū)動電流和用于驅(qū)動高容性負載的補償引腳。

如果只需0V至5V的輸出范圍，則LT8582可更換為單一正5V電源。DAC的替代電源選項可以考慮較低的輸出電流升壓或反相穩(wěn)壓器 ，因為電路板設(shè)計為支持所有通道上的全部DAC輸出電流。

此外，還可以根據(jù)應(yīng)用添加低壓差穩(wěn)壓器等升壓或反相穩(wěn)壓器的低噪聲后置調(diào)節(jié)。

電路評估與測試

本節(jié)介紹評估EVAL-CN0554-RPIZ的設(shè)置和程序。如需完整的詳細信息，請參閱CN0554用戶指南。

●   設(shè)備要求

■   EVAL-CN0554-RPIZ電路評估板

■   樹莓派4 B型

■   帶HDMI的顯示器

■   Micro HDMI轉(zhuǎn)HDMI適配器

■   USB鍵盤和鼠標

■   16GB或更大的SD卡

■   ADI公司Kuiper Linux鏡像

■   5V、3A USB Type-C電源適配器

■   母對母環(huán)回跳線

■   示波器

■   數(shù)字電壓表（6位或更高）

●   開始使用

默認情況下，ADI CN0554評估板配置了用于測試的正確分流位置。訪問EVAL-CN0554-RPIZ用戶指南以驗證分流位置。

要執(zhí)行評估測試，請按以下步驟操作：

1.將EVAL-CN0554-RPIZ連接到樹莓派，如圖14所示。

圖14 EVAL-CN0554-RPIZ連接到樹莓派

2. 將具有Kuiper Linux鏡像的SD卡插入樹莓派。

3. 使用母對母環(huán)回跳線電纜連接ADC輸入和DAC輸出通道，如圖15所示。

圖15 具有環(huán)回連接的EVAL-CN0554-RPIZ測試設(shè)置

4.將樹莓派的HDMI電纜連接到顯示器，然后將鍵盤和鼠標連接到USB端口。

5.使用USB Type-C電源適配器為樹莓派供電，并等待樹莓派啟動。

圖16 系統(tǒng)測試設(shè)置

6.打開IIO示波器，卸下(undock)DMM和調(diào)試選項卡，如圖17所示。

圖17 IIO示波器DMM和調(diào)試選項卡

7.在DMM窗口中，選擇ad7124作為器件并選擇要測量的通道，例如ad7124-8:voltage0-voltage1。點擊Play按鈕開始測量。

圖18 IIO示波器DMM窗口

8.在調(diào)試窗口中，在“器件選擇”中選擇ltc2688。在IIO器件屬性部分，選擇輸出電壓1通道并選擇原始屬性。將值設(shè)置為32768，然后點擊寫入。這應(yīng)該將輸出電壓設(shè)置為2.5V左右，即默認輸出范圍0V至5V的一半。

圖19 IIO示波器調(diào)試窗口

9.DMM測量值應(yīng)顯示約0.227V或2.5V的1/11，即默認輸入電壓衰減。

圖20 CN0554模擬I/O的環(huán)回測量

了解更多

-   ADI CN0554設(shè)計支持包

-   Thoren、Mark和Suteu、Cristina。“使用Python分析混合模式信號鏈中噪聲的簡單方法?！盇DI公司

-   科教視頻?！笆褂脦нB接模擬的樹莓派作為實驗室儀器。”ADI公司

-   Fortunato、Mark。“使用混合信號芯片成功實現(xiàn)PCB接地——遵循最小阻抗路徑。”maximintegrated.com

-   Meneu、Jean Jacques。“模擬和數(shù)字接地：混合信號設(shè)計原則?！盇rrow.com

-   Deprey、Rebecca?！皩⒛M傳感器與樹莓派結(jié)合使用?！眗ebeccamdeprey.com

-   樹莓派HAT簡介。raspberrypi.com

數(shù)據(jù)手冊和評估板

涉及的數(shù)據(jù)手冊和評估板如下：LTC2688數(shù)據(jù)手冊、AD7124-8數(shù)據(jù)手冊、AD7124-8評估板、LT8582數(shù)據(jù)手冊、LT8582評估板、LT3090數(shù)據(jù)手冊、LT3090評估板、LT1790數(shù)據(jù)手冊、ADR4525數(shù)據(jù)手冊、LT5400數(shù)據(jù)手冊、ADM7160數(shù)據(jù)手冊、ADM7160評估板

ESD警告

ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會在沒有察覺的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專利或?qū)Ｓ斜Ｗo電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此，應(yīng)當采取適當?shù)腅SD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。

ADI的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設(shè)計構(gòu)建。每個電路的設(shè)計和構(gòu)建都嚴格遵循標準工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實驗室環(huán)境中以室溫條件進行了測試和檢驗。盡管如此，采用者仍需負責自行測試電路，并確定其是否適用。所以，ADI將不對由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。

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