用于±10 V輸入的單電源、完全隔離式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (二)

　有源元件溫度系數(shù)對(duì)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1μV/°C，最大值為4.5μV/°C.

　　U1A AD8606輸入導(dǎo)致的誤差以2.3 V輸出范圍為基準(zhǔn)，因而為2 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。

　　請(qǐng)注意，如果采用50 ppm/°C或100 ppm/°C電阻，則總漂移的最大來源是電阻漂移，有源元件產(chǎn)生的漂移可忽略。

　　表1.溫度漂移導(dǎo)致的誤差

　　兩點(diǎn)校準(zhǔn)前后的測(cè)試數(shù)據(jù)

　　為了執(zhí)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)，先向輸入端施加-10 V的電流，并將ADC輸出代碼記為Code_1.然后，向輸入端施加+10 V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：

　　現(xiàn)在，可通過下式計(jì)算與任何輸出代碼Code_x對(duì)應(yīng)的輸入電壓：

　　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(cè)電路所用電阻的容差為±1%.測(cè)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(cè)試結(jié)果。如圖所示，校準(zhǔn)前的最大誤差約為0.23% FSR.校準(zhǔn)后，誤差降至±0.03% FSR，大致相當(dāng)于ADC的1 LSB誤差。

　　圖3.室溫校準(zhǔn)前后的電路測(cè)試誤差

　　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(jiǎn)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(qǐng)參見MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請(qǐng)參見MT-101指南。AD8606的電源應(yīng)當(dāng)用10μF和0.1μF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，0.1μF電容應(yīng)具有低ESR值。對(duì)于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。電源走線應(yīng)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(qǐng)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(duì)VDD1和VISO，推薦的電容值是0.1μF和10μF.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(zhǎng)不得超過2 mm.如果旁路電容的走線長(zhǎng)度超過2 mm，可能會(huì)破壞數(shù)據(jù)?？紤]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。

　　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(cè)試。在高電壓下使用該評(píng)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(cè)試(也稱為高壓測(cè)試或耐壓絕緣測(cè)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。可在該配置中采用其他精密運(yùn)算放大器和其他ADC，以將±10V輸入電壓范圍轉(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)”部分的等式，針對(duì)±10 V輸入電壓范圍以外進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。表2顯示針對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍計(jì)算電阻。

　　表2.標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍元件值

　　在下限為零且上限高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換不需增益(k = 1)，并且可簡(jiǎn)化電路。圖4顯示輸入范圍為0 V至10 V的一個(gè)例子。

　　圖4. 0 V至10 V隔離式單電源模數(shù)轉(zhuǎn)換(未顯示所有連接和去耦)

　　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(hào)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(píng)估與測(cè)試

　　本電路采用EVAL-CN0335-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。轉(zhuǎn)接板SDP-PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引腳對(duì)接連接器。轉(zhuǎn)接板和EVAL-CN0335-PMDZ板采用12引腳Pmod對(duì)接連接器，可快速進(jìn)行設(shè)置和評(píng)估電路性能。EVAL-CN0335-PMDZ板包含要評(píng)估的電路(如本筆記所述)，SDP評(píng)估板與CN0335評(píng)估軟件配合使用，以捕獲來自EVAL-CN0335-PMDZ電路板的數(shù)據(jù)。

　　設(shè)備要求

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

　　。EVAL-CN0335-PMDZ電路評(píng)估板

　　。EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板

　　。SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板

　　。CN0335評(píng)估軟件

　　。精密電壓源

　　開始使用

　　將CN0335評(píng)估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。也可以從CN0335評(píng)估軟件中下載最新版的評(píng)估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開setup.exe.按照屏幕上的提示完成安裝。建議將所有軟件安裝在默認(rèn)位置。

　　功能框圖

　　圖5所示為測(cè)試設(shè)置的功能框圖。

　　設(shè)置

　　1.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。

　　2.通過120引腳ConA連接器將SDP-PMD-IB1Z(轉(zhuǎn)接板)連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。

　　3.通過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)連接到PC.

　　4.通過12引腳接頭Pmod連接器將EVAL-CN0335-PMDZ評(píng)估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板。

　　5.通過端子板J2將電壓源(電壓生成器)連接到EVAL-CN0335-PMDZ評(píng)估板。

　　測(cè)試

　　啟動(dòng)評(píng)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(tái))”驅(qū)動(dòng)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-CN0335-PMDZ板的串行數(shù)據(jù)?？蓪⒏鞣N輸入電壓值保存到電腦中。有關(guān)如何使用評(píng)估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN0335軟件用戶指南。

　　EVAL-CN0335-PMDZ板照片如圖6所示。

　　圖5.測(cè)試設(shè)置功能框圖

　　圖6. EVAL-CN0335-PMDZ板的照片