適合過(guò)程控制應(yīng)用的完整高速、高共模抑制比(CMRR)精密模擬前端

電路功能與優(yōu)勢(shì)
工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中的信號(hào)電平通常為以下幾類之一：?jiǎn)味穗娏鳎?～20mA）、單端差分電壓（0～5V、0～10V、±5V、±10V）或者來(lái)自熱電偶或稱重傳感器等傳感器的小信號(hào)輸入。大共模電壓擺幅也非常典型，尤其是小信號(hào)差分輸入；因此，良好的共模抑制性能是模擬信號(hào)處理系統(tǒng)的一項(xiàng)重要特性。
圖1所示的模擬前端電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可在處理這些類型的工業(yè)級(jí)信號(hào)時(shí)提供高精度和高共模抑制比(CMRR)。


圖1適合過(guò)程控制應(yīng)用的高性能模擬前端（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）
該電路會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和衰減，從而使信號(hào)可以與大多數(shù)現(xiàn)代單電源SAR ADC的輸入范圍要求兼容，如高性能、16位250kSPS PulSAR? ADCAD7685
對(duì)于18Vp-p的輸入信號(hào)，該電路的共模抑制(CMR)性能約為105dB（100Hz時(shí)）和80dB（5kHz時(shí)）。
高精度、高輸入阻抗和高CMR由儀表放大器AD8226提供。對(duì)于高精度應(yīng)用，需要具有高輸入阻抗，以便最大程度地減小系統(tǒng)增益誤差并實(shí)現(xiàn)出色的CMR。AD8226增益可以用電阻在1至1000范圍內(nèi)進(jìn)行編程設(shè)置。
若直接在輸入端連接阻性電平轉(zhuǎn)換器/衰減器級(jí)，會(huì)因電阻之間出現(xiàn)失配，導(dǎo)致CMR性能下降。AD8226可以提供小信號(hào)和大信號(hào)輸入所需的出色CMR性能。無(wú)需任何外部元件，電平轉(zhuǎn)換器/衰減器/驅(qū)動(dòng)器AD8275即可在該電路中執(zhí)行衰減和電平轉(zhuǎn)換功能。
由于信號(hào)帶寬相對(duì)較低，Σ-Δ型ADC通常用于高分辨率測(cè)量系統(tǒng)，而且Σ-Δ架構(gòu)可以在低更新速率條件下提供出色的噪聲性能。不過(guò)，在越來(lái)越多的設(shè)計(jì)中，尤其是多通道系統(tǒng)，更新速率不斷提高，以便更快地更新各通道或增加通道密度。這種情況下，高性能SAR ADC是不錯(cuò)的替代之選。圖1所示電路采用250kSPS 16位ADC AD7685、高性能儀表放大器AD8226和衰減器/電平轉(zhuǎn)換器/放大器AD8275并配置為完整的系統(tǒng)解決方案，無(wú)需任何外部元件。

電路描述
此電路內(nèi)置一個(gè)軌到軌輸出儀表放大器AD8226，并連接到G=0.2差動(dòng)放大器AD8275的正輸入端，該差動(dòng)放大器的輸出端則連接到16位、250kSPS、采用MSOP/QFN封裝的PulSAR ADC AD7685的輸入端。AD8226的增益設(shè)置為1（高電壓/電流輸入），且其輸出以地為參考?？梢允褂脝味嘶虿罘州斎搿D8226的輸出為雙極性信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)AD8275輸入。AD8275用于對(duì)該雙極性輸入進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換，從而提供0.2的增益。因此，在其輸入端輸入20Vp-p的差分信號(hào)時(shí)，輸出端將產(chǎn)生4Vp-p的單端信號(hào)。4.5V精密基準(zhǔn)電壓源ADR439用于為AD8275提供內(nèi)部共模偏置電壓(VREF/2=2.25V)，以及為AD7685 ADC提供外部基準(zhǔn)電壓。在這些條件下，AD8275的輸出擺幅為+0.25～+4.25V，位于AD7685的0～+4.5V工作范圍內(nèi)。
ADP1720用于為AD8275和AD7685提供5V電源。之所以選擇ADP1720是因?yàn)槠渚哂懈咻斎腚妷悍秶ǜ哌_(dá)28V）。在此電路中，ADP1720只需為AD8275和AD7685提供約4mA的電流，因此在最差情況下，28V輸入時(shí)調(diào)節(jié)器的功耗約為90mW，這使得整個(gè)系統(tǒng)可以采用外部±15V電源供電。
系統(tǒng)級(jí)共模抑制性能
初始測(cè)試用于在系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證至ADC的AD8226共模抑制性能。采用的輸入測(cè)試信號(hào)音為10Hz、100Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz，而輸入信號(hào)為18Vp-p。測(cè)試結(jié)果如表1所示。在測(cè)試1中，AIN+和AIN?信號(hào)短接并連接到交流測(cè)試信號(hào)音，然后以FFT測(cè)量結(jié)果。由于輸入端連接在一起，因此AD8226應(yīng)當(dāng)會(huì)抑制交流信號(hào)。在測(cè)試2中，信號(hào)施加于AIN+，而AIN?接地。在這些條件下，F(xiàn)FT測(cè)量信號(hào)音電平。然后，通過(guò)計(jì)算測(cè)試1和測(cè)試2中FFT結(jié)果之間的差值即可得到共模抑制值。表1列出了不同頻率下獲得的CMR值。必須注意，AD8226在5kHz時(shí)的CMR額定值為80dB，因此可在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)CMR性能無(wú)損。

系統(tǒng)級(jí)交流性能
此外還要在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試系統(tǒng)的交流精度，此時(shí)AD7685的工作采樣速率為250 kSPS。圖2所示為10 kHz、5V p-p輸入時(shí)的FFT測(cè)試結(jié)果。圖中所示的結(jié)果如下：
?信噪比(SNR)=87.13dBFS
?信納比(SINAD)=85.95dBFS
?無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)=81.82dBc
?總諧波失真(THD)=?78.02dBc
表1 18Vp-p輸入時(shí)電路的CMR性能


圖2 10kHz輸入信號(hào)、滿量程以下14dB、250 kSPS的FFT結(jié)果
該電路或任何高速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、受控阻抗線路（如需要）、元件布局、信號(hào)布線以及電源層和接地層。（有關(guān)PCB布局的詳情，請(qǐng)參見 MT-031教程、MT-101教程和 高速印刷電路板布局實(shí)用指南一文。）
有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包，請(qǐng)參閱http://www.analog.com/CN0213-DesignSupport
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?？墒褂闷渌鸄DI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)代替AD7685，從而進(jìn)一步提高速度/分辨率或性能。AD7688提供真差分輸入，以便取得更佳CMR性能。18位ADCAD7982能夠以高達(dá)1MSPS的速度提供更高分辨率，并且還提供全差分。漏斗放大器AD8475也可接受高電壓雙極性輸入，并提供衰減、電平轉(zhuǎn)換和差分輸出，因此非常適合使用差分輸入ADC的工業(yè)應(yīng)用（參見電路筆記CN-0180）。

電路評(píng)估與測(cè)試
該電路采用系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)進(jìn)行測(cè)試。SDP平臺(tái)包含必要的ADC驅(qū)動(dòng)器以及至PC的USB連接。從ADC采樣的數(shù)據(jù)由SDP板通過(guò)USB發(fā)送至PC。然后利用ADC公司提供的標(biāo)準(zhǔn)ADC LabVIEW評(píng)估軟件工具生成FFT曲線圖。測(cè)試設(shè)置的功能框圖如圖3所示，而電路板照片如圖4所示。
用于收集測(cè)試數(shù)據(jù)的設(shè)備
? 帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista?（32位）或Windows?7（32位）PC
? EVAL-A-INPUT-1AZ電路評(píng)估板
? EVAL-SDP-CB1Z、SDP-A評(píng)估板

? 評(píng)估軟件
? 電源電壓：+5V(200mA)
? 電源電壓：±15 V、Agilent E3630A或等同
? 信號(hào)發(fā)生器：Agilent 33120A或等同產(chǎn)品

圖3 測(cè)試設(shè)置的功能框圖


圖4 與SDP板相連的EVAL-A-INPUT-1AZ評(píng)估板照片
設(shè)置與測(cè)試
在PC的CD驅(qū)動(dòng)器中加載評(píng)估軟件。
EVAL-A-INPUT-1AZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z(SDP)評(píng)估板上標(biāo)有“CON B”的連接器。使用尼龍五金配件，通過(guò)120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。將信號(hào)源連接到EVAL-A-INPUT-1AZ板的J1輸入(AIN+)端子。運(yùn)行常規(guī)FFT測(cè)試時(shí)，JP1跳線連接在J3端子(IN?)和地之間。運(yùn)行CMR測(cè)試時(shí)，該跳線連接在J1(AIN+)和J3(AIN?)之間。
在斷電情況下，將一個(gè)+5V電源連接到SDP板。使用USB電纜將SDP板連接到PC上的USB端口。
然后，將±15 V電源連接到EVAL-A-INPUT-1AZ電路板。啟動(dòng)評(píng)估軟件，并通過(guò)USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器。
一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來(lái)發(fā)送、接收、捕捉來(lái)自EVAL-A-INPUT-1AZ板的串行數(shù)據(jù)。