工業(yè)信號電平的單電源ADC系統設計

作者：時間：2016-10-16 來源：網絡

加入技術交流群
- 掃碼加入
  和技術大咖面對面交流
  海量資料庫查詢

連接/參考器件

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201610/308129.htm

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

評估和設計支持

電路評估板

AD7176-2電路評估板(EVAL-AD7176-2SDZ)

系統演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設計和集成文件

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換信息。通常，當采樣速率達到500 kSPS時，模數轉換器(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，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置激光調整電阻執(zhí)行衰減和電平轉換，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。它集成經過調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，完成共模電壓的設置。

AD8475提供衰減和電平轉換，以便驅動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濾波器網絡，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。該網絡還可隔離放大器輸出，使其不受動態(tài)開關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，并轉換為數字輸出。轉換速率和數字濾波器特性可針對5 SPS至250 kSPS的輸出數據速率進行調節(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有效均方根噪聲。數據速率為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為20 V p-p.

圖2. 均方根輸出噪聲與輸出數據速率的關系

有效分辨率以位數表示，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)與輸出數據速率的關系

先將均方根噪聲轉換為峰峰值噪聲近似值(均方根噪聲乘以系數6.6)，有效分辨率便可轉換為無噪聲代碼分辨率。計算結果約為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。這一結果與AD7176-2在無緩沖短路輸入情況下，輸出數據速率為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積分非線性，用滿量程(FSR)的ppm表示。