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(shì)

圖1所示電路是高性?xún)r(jià)比、高度集成的16位、250 kSPS、8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可對(duì)±10 V工業(yè)級(jí)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。該電路還可在測(cè)量電路與主機(jī)控制器之間提供2500 V rms隔離，整個(gè)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(gè)低成本精密四通道運(yùn)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(hào)調(diào)理和數(shù)字化功能。另外僅需要AD8605運(yùn)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(duì)±10 V輸入信號(hào)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(shí)，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(dòng)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(hào)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(gè)16位SAR ADC、一個(gè)8通道低串?dāng)_多路復(fù)用器、一個(gè)低漂移基準(zhǔn)電壓源和緩沖器、一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)可選單極點(diǎn)濾波器和一個(gè)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(lái)控制通道開(kāi)關(guān)。AD7689采用20引腳、4 mm × 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(shí)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(dòng)器用以驅(qū)動(dòng)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(hào)。

模擬前端設(shè)計(jì)

在過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，典型的信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為適合ADC范圍的信號(hào)。

電路公式如下：

前端信號(hào)增益(−R2/R1)設(shè)置為−0.2，使得到達(dá)ADC的信號(hào)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(duì)于O V輸入信號(hào)，運(yùn)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(yùn)算放大器輸入端的共模電壓通過(guò)下式計(jì)算：

For R3/R4 = 1.4 且 VREF = 4.096 V時(shí)，運(yùn)算放大器的共模電壓為1.7 V。

每個(gè)AD8608內(nèi)有四個(gè)放大器，四個(gè)同相輸入短接在一起并連接到電阻分壓器R3/R4。第二個(gè)分壓器用于第二個(gè)AD8608。要消除運(yùn)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(guò)，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(duì)噪聲進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，最大信號(hào)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(hào)衰減降至最低，前端的−3 dB截止頻率被設(shè)計(jì)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(gè)噪聲源的均方根值如表1所示。有關(guān)運(yùn)算放大器噪聲的詳情，請(qǐng)參見(jiàn)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行正確數(shù)字轉(zhuǎn)換。

電阻噪聲可通過(guò)下式計(jì)算：

其中R單位為Ω。

使用圖1所示電阻值和1.5 MHz帶寬時(shí)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(yùn)算放大器輸出均方根噪聲約為21.3 μV。對(duì)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(qǐng)注意，總輸出噪聲的最大來(lái)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(huì)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(diǎn)、有源低通濾波器。帶寬使用公式7計(jì)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。