12位、300 kSPS、單電源、完全隔離式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 用于4-20 mA輸入

評估和設(shè)計(jì)支持

電路評估板

CN0336電路評估板(EVAL-CN0336-PMDZ)

SDP/PMD轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z)

系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是只采用了三個(gè)有源器件的完全隔離式12位、300 kSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用3.3 V單電源供電，可處理4 mA至20 mA的輸入信號。室溫校準(zhǔn)后在±10°C溫度變化范圍內(nèi)的總誤差為 ±0.06% FSR，是各種工業(yè)測量應(yīng)用的理想之選。

該電路尺寸小巧使得該組合成為業(yè)界領(lǐng)先的4 mA至20 mA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決方案，在這種系統(tǒng)中精度、速度、成本和尺寸極為關(guān)鍵。數(shù)據(jù)和電源相互隔離，因而該電路具有出色的高電壓耐受性，同時(shí)還能有效免疫惡劣工業(yè)環(huán)境下常見的接地環(huán)路干擾問題。

電路描述

該電路由一個(gè)輸入電流-電壓轉(zhuǎn)換器、一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路、一個(gè)ADC級和一個(gè)輸出隔離級構(gòu)成。4 mA至20 mA輸入信號由電阻R3轉(zhuǎn)換成電壓。在R3 = 120Ω且輸入電流為4 mA至20 mA的情況下，電平轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓為：0.48 V至2.4 V。二極管D1用于提供保護(hù)，使電路免受輸入電流源意外反相連接的影響。

R3上的電壓由U1A運(yùn)算放大器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和衰減，該運(yùn)算放大器是雙通道AD8606的一半。該運(yùn)算放大器的輸出為0.1 V至2.4 V，與ADC的輸入范圍相匹配(0 V至2.5 V)，裕量為100 mV用于維持線性度。來自AD7091R ADC的緩沖基準(zhǔn)電壓源(VREF = 2.5 V)用于生成所需失調(diào)?？梢孕薷碾娮柚?，以適應(yīng)本電路筆記后面部分所述的其他常用輸入范圍。

該電路設(shè)計(jì)支持單電源供電。AD8606的最小額定輸出電壓為50 mV(2.7 V電源)和290 mV(5 V電源)，負(fù)載電流為10 mA，溫度范圍為-40°C至+125°CC。在3.3 V電源、負(fù)載電流低于1 mA、溫度范圍更窄的情況下，保守估計(jì)最小輸出電壓為45 mV至60 mV。

考慮到器件的容差，最小輸出電壓(范圍下限)設(shè)為100 mV，以提供安全裕量。輸出范圍的上限設(shè)為2.4 V，以便為ADC輸入端的正擺幅提供100 mV的裕量。因此，輸入運(yùn)算放大器的標(biāo)稱輸出電壓范圍為0.1 V至2.4 V。

AD8606 (U1B)的另一半用于緩沖AD7091R (U3) ADC的內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源。

本應(yīng)用中選用AD8606的原因是該器件具有低失調(diào)電壓(最大值65 μV)、低偏置電流(最大值1 pA)和低噪聲(最大值12 nV/√Hz)等特性。在3.3V電源下，功耗僅為9.2 mW。

運(yùn)算放大器的輸出級后接一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器(R2/C11)，用于降低帶外噪聲。RC濾波器的截止頻率設(shè)為664 kHz。可添加一個(gè)可選濾波器(R1/C10)，以便在出現(xiàn)低頻工業(yè)噪聲的情況下，進(jìn)一步降低濾波器截止頻率。在這類情況下，由于信號帶寬較小，因此可以降低AD7091Rhttp://www.analog.com/AD7091R?doc=CN0336.pdf的采樣速率。

選擇AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是因?yàn)槠湓?.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，僅為349 μA，顯著低于當(dāng)前市場上競爭對手的任何ADC。AD7091R還內(nèi)置一個(gè)2.5 V的基準(zhǔn)電壓源，其典型漂移為±4.5 ppm/°C。輸入帶寬為7.5 MHz，且高速串行接口兼容SPI。AD7091R采用小型10引腳MSOP封裝。

采用3.3V電源供電時(shí)，該電路的總功耗(不包括ADuM5401隔離器)約為10.4 mW。

電流隔離由四通道數(shù)字隔離器ADuM5401(C級)提供。除了隔離輸出數(shù)據(jù)以外，ADuM5401還為該電路提供隔離+3.3 V電源。除非需要隔離，否則電路正常運(yùn)行時(shí)并不需要ADuM5401。ADuM5401四通道2.5 kV隔離器集成DC/DC轉(zhuǎn)換器，采用小型16引腳SOIC封裝。ADuM5401在7 MHz時(shí)鐘頻率下的功耗約為140 mW。

AD7091R需要50 MHz的串行時(shí)鐘(SCLK)，方能實(shí)現(xiàn)1 MSPS的采樣速率。然而，ADuM5401(C級)隔離器的最大數(shù)據(jù)速率為25 Mbps，對應(yīng)的最大串行時(shí)鐘頻率為12.5 MHz。另外，SPI端口要求，SCLK的后沿將輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動至處理器，因此，ADuM5401的總雙向傳播延遲(最大值120 ns)將時(shí)鐘上限限制在1/120 ns = 8.3 MHz。

盡管AD7091R是一款12位ADC，但串行數(shù)據(jù)同樣被格式化為16位字，以便與處理器串行端口要求相兼容。因此，采樣周期TS包括AD7091R 650 ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間加上58 ns(數(shù)據(jù)手冊要求的額外時(shí)間，t1延遲 + tQUIET延遲)，再加上用于SPI接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)?6個(gè)時(shí)鐘周期。

為了提供安全裕量，建議將SCLK和采樣速率的最大值分別設(shè)為7 MHz和300 kSPS。數(shù)字SPI接口可以用12引腳且兼容Pmod的連接器(Digilent Pmod規(guī)格)連接到微處理器評估板。

電路設(shè)計(jì)

圖2所示電路提供了適當(dāng)?shù)脑鲆婧碗娖睫D(zhuǎn)換功能，可以將0.48 V至2.4 V信號轉(zhuǎn)換為ADC輸入范圍，即0.1 V至2.4 V。

當(dāng)輸入范圍為0 mA至20 mA時(shí)，電路不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，運(yùn)算放大器充當(dāng)跟隨器。此時(shí)，R3上的壓降不得超過輸出范圍的上限(2.4 V)，計(jì)算公式如下：

現(xiàn)在，如果給定電阻R4、R5和R6三者之一的值，就可以根據(jù)公式7和公式9計(jì)算其他兩個(gè)電阻的值。例如，如果R5 = 1000 Ω，則R4 = 5,263 Ω，R6 = 125,310 Ω。

在實(shí)際電路中，為電阻R4和R6選擇了最接近現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的電阻值。所選值為R4 = 5.11k，R6 = 124 k。

如果仔細(xì)選擇這些值，因使用替代標(biāo)準(zhǔn)值電阻導(dǎo)致的總誤差可降至幾個(gè)百分點(diǎn)以下。然而，應(yīng)通過公式1來重新計(jì)算U1A運(yùn)算放大器在4 mA和20 mA輸入電流下的輸出，以確保維持所需裕量。

這類電路的絕對精度主要取決于電阻，因此，需要進(jìn)行增益和失調(diào)校準(zhǔn)，以消除因標(biāo)準(zhǔn)值替代和電阻容差導(dǎo)致的誤差。

電阻溫度系數(shù)對總誤差的影響

公式1表明，輸出電壓與以下四個(gè)電阻相關(guān)：R3、R4、R5和R6。TP1處的滿量程輸出電壓對這四個(gè)電阻中每個(gè)阻值的微小變化敏感，其靈敏度通過仿真程序計(jì)算。電路的輸入電流為20 mA。計(jì)算得到的各靈敏度為SR3 = 1.2、SR4 = 0.01、SR5 = 0.00、SR6 = 0.01。假設(shè)各溫度系數(shù)以和方根(rss)方式組合，則在R3采用25 ppm/°C電阻且R4、R5和R6采用100 ppm/°C電阻時(shí)，總滿量程漂移約為：

30 ppm/°C的滿量程漂移對應(yīng)于0.003%FSR/°C。

有源元件溫度系數(shù)對總誤差的影響

AD8606運(yùn)算放大器和AD7091R ADC的直流失調(diào)由校準(zhǔn)程序消除。

ADC AD7091R內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源的失調(diào)漂移典型值為4.5 ppm/°C，最大值為25 ppm/°C。

AD8606運(yùn)算放大器的失調(diào)漂移典型值為1 μV/°C，最大值為4.5 μV/°C。

U1A AD8606輸入失調(diào)導(dǎo)致的誤差以輸入電壓范圍2.4 V – 0.48 V = 1.92 V為基準(zhǔn)，因而為2.3 ppm/°C。U1B基準(zhǔn)電壓緩沖器導(dǎo)致的誤差以2.5 V為基準(zhǔn)，同樣約為2 ppm/°C。

總漂移誤差結(jié)如表1所概括。這些誤差不包括AD7091R的±1 LSB積分非線性誤差。

兩點(diǎn)校準(zhǔn)前后的測試數(shù)據(jù)

為了執(zhí)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)，先向輸入端施加4 mA的電流，并將ADC輸出代碼記為Code_1。然后，向輸入端施加20 mA的電流，再將ADC輸出代碼記為Code_2。增益系數(shù)通過下式計(jì)算：

通過比較使用元件標(biāo)稱值計(jì)算得到的理想傳遞函數(shù)和未校準(zhǔn)實(shí)際電路傳遞函數(shù)，可以得到校準(zhǔn)前的誤差。實(shí)測電路所用電阻的容差為±1%。測試結(jié)果不包括溫度變化。

圖3中所示為環(huán)境溫度下校準(zhǔn)前后的百分比誤差(FSR)測試結(jié)果。如圖所示，校準(zhǔn)前的最大誤差約為0.25% FSR。校準(zhǔn)后，誤差降至±0.02% FSR，大致相當(dāng)于ADC的1 LSB誤差。

PCB布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細(xì)考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。該系統(tǒng)的PCB采用簡單的雙層板堆疊而成，但采用4層板可以得到更好的EMS性能。有關(guān)布局和接地的信息，請參見MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請參見MT-101指南。AD8606的電源應(yīng)當(dāng)用10 μF和0.1 μF電容去耦，以適當(dāng)抑制噪聲并減小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)器件，0.1 μF電容應(yīng)具有低ESR值。對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。ADuM5401 isoPower集成式DC/DC轉(zhuǎn)換器要求在輸入和輸出電源引腳上進(jìn)行電源旁路。請注意，引腳1與引腳2以及引腳15和引腳16之間需要低ESR旁路電容，這些電容應(yīng)盡可能靠近芯片焊盤。

為了抑制噪聲并降低紋波，至少需要并聯(lián)兩個(gè)電容。針對VDD1和VISO，推薦的電容值是0.1 μF和10 μF。較小的電容必須具有低ESR，建議使用陶瓷電容。低ESR電容末端到輸入電源引腳的走線總長不得超過2 mm。如果旁路電容的走線長度超過2 mm，可能會破壞數(shù)據(jù)。考慮在引腳1與引腳8及引腳9與引腳16之間實(shí)現(xiàn)旁路，除非兩個(gè)公共地引腳靠近封裝連在一起。有關(guān)更多信息，請參見ADuM5401數(shù)據(jù)手冊。

有關(guān)完整文檔包，包括原理圖、電路板布局和物料清單(BOM)，請參考：www.analog.com/CN0336-DesignSupport。

高電壓能力

這款PCB依據(jù)2500 V基本絕緣規(guī)范而設(shè)計(jì)。不建議進(jìn)行2500 V以上的高電壓測試。在高電壓下使用該評估板時(shí)必須謹(jǐn)慎，而且不得依賴該P(yáng)CB來實(shí)現(xiàn)安全功能，因?yàn)樗唇?jīng)過高電位測試(也稱為高壓測試或耐壓絕緣測試)，也未通過安全認(rèn)證。

常見變化

經(jīng)驗(yàn)證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度?？稍谠撆渲弥胁捎闷渌苓\(yùn)算放大器和其他ADC，以將4 mA至20 mA輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，用于本電路的各種其他應(yīng)用中。

可依據(jù)電路設(shè)計(jì)部分的建議，針對4 mA至20 mA輸入電流范圍以外的電流重新計(jì)算圖1所示電路。在這些情況下，當(dāng)范圍下限為零(0 mA至20 mA、0 mA至10 mA、0 mA至5 mA)時(shí)，轉(zhuǎn)換不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，輸入電路可按如圖4所示進(jìn)行簡化。

AD7091與AD7091R類似，但沒有基準(zhǔn)電壓輸出，而且輸入范圍等于電源電壓。AD7091可與2.5 V ADR391基準(zhǔn)電壓源配合使用。ADR391不需要緩沖，因此可在電路中使用一個(gè)AD8605。

ADR391是一款精密2.5 V帶隙基準(zhǔn)電壓源，具有低功耗、高精度(溫度漂移為9 ppm/°C)等特性，采用微型TSOT封裝。

AD8608是AD8605的四通道版本，在需要額外的精密運(yùn)算放大器時(shí)，可以替代AD8606。

AD8601、AD8602和AD8604分別為單通道、雙通道和四通道軌到軌、輸入和輸出、單電源放大器，具有超低失調(diào)電壓和寬信號帶寬等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608。

AD7457是一款12位、100 kSPS、低功耗SAR ADC，在不需要300 kSPS吞吐速率的情況下，可以與ADR391基準(zhǔn)電壓源相配合，用于代替AD7091R。

電路評估與測試

本電路采用EVAL-CN0336-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP)評估板。轉(zhuǎn)接板SDP-PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引腳對接連接器。轉(zhuǎn)接板和EVAL-CN0336-PMDZ板采用12引腳Pmod對接連接器，可快速進(jìn)行設(shè)置和評估電路性能。EVAL-CN0336-PMDZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN0336評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0336-PMDZ電路板獲取數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

Ÿ 帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7/8(64位或32位)PC

Ÿ EVAL-CN0336-PMDZ電路評估板

Ÿ EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板

Ÿ SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板

Ÿ CN0336評估軟件

Ÿ 電流校準(zhǔn)器(4 mA至20mA電流源)

開始使用

將CN0336評估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。也可以從CN0336評估軟件中下載最新版的評估軟件。打開我的電腦，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。

功能框圖

圖5所示為測試設(shè)置的功能框圖。

設(shè)置

Ÿ 通過直流管式插孔將EVAL-CFTL-6V-PWRZ(+6 V直流電源)連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板。

Ÿ 通過120引腳Con A連接器將SDP-PMD-IB1Z(轉(zhuǎn)接板)連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。

Ÿ 通過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)連接到PC。

Ÿ 通過12引腳接頭Pmod連接器將EVAL-CN0336-PMDZ評估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板。

Ÿ 通過端子板J2將4 mA至20 mA電流源(電流校準(zhǔn)器)連接到EVAL-CN0336-PMDZ評估板。

測試

啟動評估軟件。如果“設(shè)備管理器”中出現(xiàn)“Analog Devices System Development Platform(ADI系統(tǒng)開發(fā)平臺)”驅(qū)動器，軟件便能與SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0336-PMDZ板的串行數(shù)據(jù)?？蓪⒏鞣N輸入電流值對應(yīng)的數(shù)據(jù)保存到電腦中。有關(guān)如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的信息和詳情，請參見CN0336軟件用戶指南。有關(guān)SDP板的信息和詳情，請參見SDP用戶指南。

EVAL-CN0336-PMDZ評估板照片如圖6所示。

了解詳情

CN0336設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0336-DesignSupport

Chen, Baoxing, John Wynne, and Ronn Kliger. High Speed Digital Isolators Using Microscale On-Chip Transformers, Analog Devices, 2003

Chen, Baoxing. iCoupler® Products with isoPower™ Technology: Signal and Power Transfer Across Isolation Barrier Using Microtransformers, Analog Devices, 2006

Ghiorse, Rich. Application Note AN-825, Power Supply Considerations in iCoupler® Isolation Products, Analog Devices

Krakauer, David. “Digital Isolation Offers Compact, Low-Cost Solutions to Challenging Design Problems.”Analog Dialogue. Volume 40, December 2006.

MT-031指南，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán)，ADI公司

MT-101指南，去耦技術(shù)，ADI公司

Wayne, Scott. “iCoupler® Digital Isolators Protect RS-232, RS-485, and CAN Buses in Industrial, Instrumentation, and Computer Apps, Analog Dialogue, Volume 39, Number 4, 2005.

數(shù)據(jù)手冊和評估板

AD8606數(shù)據(jù)手冊

AD7091R數(shù)據(jù)手冊

ADuM5401數(shù)據(jù)手冊

修訂歷史

2014年3月—修訂版0至修訂版A

更改電路功能與優(yōu)勢部分 ................................ 1

2014年2月—修訂版0：初始版