工業(yè)信號電平的單電源ADC系統(tǒng)設(shè)計

連接/參考器件

AD7176-2 24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC，建立時間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基準電壓源

評估和設(shè)計支持

電路評估板

AD7176-2電路評估板(EVAL-AD7176-2SDZ)

系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設(shè)計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

對工業(yè)電平信號進行采樣時，必須提供快速高分辨率轉(zhuǎn)換信息。通常，當采樣速率達到500 kSPS時，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)，針對工業(yè)電平信號采樣進行優(yōu)化，集成一個24位、 250 kSPS Σ-Δ型ADC.兩個差分通道或四個偽差分通道中的每一個都能夠以17.2位無噪聲代碼分辨率、最高50 kSPS的速率對其進行掃描。

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的標準工業(yè)電平信號并進行數(shù)字化處理的問題。本電路的應用包括過程控制(PLC/DCS模塊)、醫(yī)療以及科學多通道儀器和色譜儀。

圖1. 工業(yè)信號用高精度、24位ADC驅(qū)動器(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

電路描述

工業(yè)電平信號施加于AD8475精密差分漏斗放大器上，該器件可將輸入信號衰減0.8倍或0.4倍。它集成經(jīng)過調(diào)整并匹配的精密電阻，用來控制衰減。當AD8475使用5 V單電源并且增益設(shè)置為0.4時，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的輸入過壓保護。

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

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

AD7176-2 24位、Σ-Δ ADC對AD8475的輸出進行采樣，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5 SPS至250 kSPS的輸出數(shù)據(jù)速率進行調(diào)節(jié)。

AD7176-2可配置為兩個全差分輸入或四個偽差分輸入。ADC支持最高50 kSPS的通道掃描速率。AD7176-2的無噪聲位性能為17.2位(250 kSPS);20.8位(1 kSPS);以及21.7位(50 SPS)。

圖2表示輸入接地時的總系統(tǒng)有效均方根噪聲。數(shù)據(jù)速率為250 kSPS時，有效均方根噪聲約為30 μV rms.請注意，滿量程時，本電路的線性度在±10 V輸入下達到最佳狀態(tài)，計算時滿量程輸入設(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)換為無噪聲代碼分辨率。計算結(jié)果約為2.7位，隨后將其從有效分辨率中扣除，以得到無噪聲代碼分辨率。如本例所示，經(jīng)計算后，19.3位有效分辨率相當于16.6位無噪聲代碼分辨率。這一結(jié)果與AD7176-2在無緩沖短路輸入情況下，輸出數(shù)據(jù)速率為250 kSPS時的17.2位無噪聲位規(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FFT)

圖6. AD8475至AD7176-2的FFT性能(1 kHz、-6 dBFS輸入音、16384點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。詳細信息，請參考指南MT-031、指南MT-101、AD8475數(shù)據(jù)手冊及AD7176-2數(shù)據(jù)手冊。欲查看完整原理圖和印刷電路板的布局，請參見CN-0310設(shè)計支持包。

常見變化

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基準電壓源可替換為具有300 mV壓差的ADR4550基準電壓源。

電路評估與測試

設(shè)備要求

需要使用以下設(shè)備：

EVAL-AD7176-2SDZ評估板和軟件

系統(tǒng)演示平臺(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評估套件包括一張光盤，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運行，可以運行光盤中的setup.exe文件。

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

完成光盤安裝后，將EVAL-SDP-CB1Z(通過連接器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。

檢測到評估系統(tǒng)后，確認出現(xiàn)的所有對話框。這樣就完成了安裝。

設(shè)置與測試

有關(guān)使用軟件和運行測試的完整詳細信息，請參考UG-478用戶指南。

圖7顯示測試設(shè)置的功能框圖。

若要測試圖1中的電路，硬件需要經(jīng)過下文所述的微小改變：

信號從位于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，可將來自J8的A2和A3信號路由至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. 測試設(shè)置功能框圖