針對(duì)工業(yè)過程控制和自動(dòng)化的高阻抗、高CMR、±10

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一個(gè)完整的模擬前端，它利用一個(gè)16位差分輸入PulSARADC對(duì)±10V工業(yè)級(jí)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。該電路僅利用兩個(gè)模擬器件，來提供一路具有高共模抑制(CMR)性能的高阻抗儀表放大器輸入、電平轉(zhuǎn)換、衰減和差分轉(zhuǎn)換功能。由于具有高集成度，該電路可節(jié)省印刷電路板空間，為常見的工業(yè)應(yīng)用提供高性價(jià)比解決方案。

在過程控制和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，典型的信號(hào)電平最高可達(dá)±10V。而來自熱電偶和稱重傳感器等傳感器的信號(hào)輸入則較小，因此常常會(huì)遇到大共模電壓擺幅，這就需要靈活的模擬輸入，它能以高共模抑制性能處理大小差分信號(hào)，同時(shí)具有高阻抗輸入。

用現(xiàn)代低壓ADC處理工業(yè)級(jí)信號(hào)時(shí)，必須進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換。此外，全差分輸入ADC具有以下優(yōu)勢(shì)：良好的共模抑制性能，更少的二階失真產(chǎn)物，以及簡(jiǎn)化的直流調(diào)整算法。因此，工業(yè)信號(hào)需要經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)理才能與差分輸入ADC正確接口。

圖1所示電路是一個(gè)完整且具有高集成度的模擬前端工業(yè)級(jí)信號(hào)調(diào)理器，僅使用兩個(gè)有源器件來驅(qū)動(dòng)差分輸入16位PulSARADCAD7687：精密儀表放大器（片內(nèi)集成兩個(gè)輔助運(yùn)算放大器）AD8295precisionin-amp(withtwoon-chipauxiliaryopamps)和電平轉(zhuǎn)換器/ADC驅(qū)動(dòng)器AD8275。低噪聲2.5VXFET®基準(zhǔn)電壓源ADR431為ADC提供基準(zhǔn)電壓。

AD8295是一款精密儀表放大器，片內(nèi)集成兩個(gè)非專用信號(hào)處理放大器和兩個(gè)精密匹配的20kΩ電阻，采用4mm×4mm封裝。

AD8275是一款G=0.2差動(dòng)放大器，可以用來衰減±10V工業(yè)信號(hào)，衰減后的信號(hào)可以與單電源低壓ADC輕松接口。AD8275在該電路中執(zhí)行衰減和電平轉(zhuǎn)換功能，可以保持良好的CMR，無需任何外部元件。

AD7687是一款16位逐次逼近型ADC，采用2.3V至5.5V的單電源供電。它采用差分輸入，具有良好的CMR，并且能夠簡(jiǎn)化SARADC的使用。

電路描述

該電路由用作模擬前端電路的AD8295和AD8275、ADCAD7687以及基準(zhǔn)電壓源ADR431組成，只需少量外部元件進(jìn)行去耦等。

儀表放大器（集成于AD8295）

AD8295中集成的儀表放大器(IA)的工作條件設(shè)置為1倍的增益。如果應(yīng)用需要更高的增益，可以增加一個(gè)適當(dāng)?shù)耐獠吭鲆骐娮?。AD8295的電源為±15V，完全支持±10V工業(yè)輸入信號(hào)電平。儀表放大器的基準(zhǔn)電壓引腳接地，因此AD8295的輸出以地為基準(zhǔn)。

差動(dòng)放大器/衰減器(AD8275)

AD8295儀表放大器輸出單端信號(hào)，最大幅度為±10V。必須將該信號(hào)衰減并轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)碾娖?，以便?qū)動(dòng)AD7687ADC。如果在AD8295的輸出端直接使用一個(gè)簡(jiǎn)單的阻性電平衰減器級(jí)，將無法提供差分輸出來驅(qū)動(dòng)ADC。AD8275(G=0.2)電平轉(zhuǎn)換器是一個(gè)差動(dòng)放大器，內(nèi)置精密激光調(diào)整匹配薄膜電阻，可確保低增益誤差、低增益漂移（最大1ppm/°C）和高共模抑制（80dB）特性。AD8275具有+3.3V至+15V的寬電源電壓范圍，采用+5V單電源供電時(shí)，輸入電壓范圍寬達(dá)−12.3V至+12V。

圖1所示電路使用一個(gè)平衡差動(dòng)放大器，它由AD8275(U2)和AD8295中的一個(gè)非專用運(yùn)放(U1-C)組成。此運(yùn)放(U1-C)用于反轉(zhuǎn)AD8275的正輸出（從而提供互補(bǔ)的負(fù)輸出），并且驅(qū)動(dòng)AD8275的REF1和REF2引腳。差分輸出的輸出共模電壓(VCOM=1.25V)由連接到2.5V基準(zhǔn)電壓源的10kΩ外部電阻分壓器產(chǎn)生，并且應(yīng)用于U1-C的同相輸入。描述電路操作的方程式如下：

VOUTP+VOUTN=2×VCOM

VOUTP=VOUTN+0.2×VIN

VOUTP=VCOM+0.1×VIN

VOUTN=VCOM−0.1×VIN

根據(jù)以上方程式，對(duì)于±10V輸入電壓，ADC的各輸入電壓（VOPTP和VOUTN）擺幅為0.25V至2.25V，彼此180°反相，共模電壓為1.25V。因此，差分信號(hào)使用ADC可用差分輸入范圍5V中的4V。

ADR431是2.5VXFET系列基準(zhǔn)電壓源，具有低噪聲、高精度和低溫度漂移性能。ADR431驅(qū)動(dòng)電阻分壓器和AD7687ADC的基準(zhǔn)電壓輸入。ADR431輸出由AD8295中的另一個(gè)非專用運(yùn)放(U1-B)緩沖，并且驅(qū)動(dòng)AD7687的電源(VDD)。由兩個(gè)33Ω電阻和一個(gè)1.5nF電容組成的一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器充當(dāng)AD7687的3MHz截止抗混疊和降噪濾波器。

布局布線考慮

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(hào)路由以及適當(dāng)?shù)碾娫磳雍徒拥貙印Ｓ嘘P(guān)PCB布局的詳情，請(qǐng)參見指南TutorialMT-031、MT-101和“高速印刷電路板布局實(shí)用指南”一文。

系統(tǒng)性能

交流性能在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行測(cè)試，AD7687的采樣速率為250kSPS。圖2所示為5Vp-p20kHz輸入時(shí)的FFT測(cè)試結(jié)果。圖3所示為10VDC輸入時(shí)的ADC輸出直方圖。

評(píng)估軟件產(chǎn)生的結(jié)果如下：

SNR=85.531dBFS（不含諧波）

信納比(SINAD)=81.432dBFS.

SFDR=77.403dBFS.

THD=–76.479dBFS

常見變化

PulSAR系列的其它引腳兼容差分輸入16位ADC提供不同的采樣速率：AD7684(100kSPS)、AD7688(500kSPS)和AD7693(500kSPS)。

如果需要18位分辨率，下列器件也是PulSAR系列的引腳兼容產(chǎn)品：AD7691(250kSPS)、AD7690(400kSPS)和AD7982(1MSPS)。

ADC的基準(zhǔn)電壓源可以換用2.048VADR430，它支持使用ADC更大比例的輸入范圍，不過AD7687將需要額外的AVDD電源。