低成本16位 250 kSPS 8通道隔离数据采集系统.docx
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1、电路功能与优势图1所示电路是高性价比、高度集成的16位、250 kSPS、8通道数据采集系统,可对 10 V工业级信号进行数字化转换。该电路还可在测量电路与主机控制器之间提供2500 V rms隔离,整个电路采用隔离式PWM控制5 V单电源供电。GNDj ADUM3471DGCH-COfJNECTS TO 3 OTHER + INPUTS OF QUAD ADH0.岑idL医n-X一 W一匮也潺PgVID图1. 16位、250 KSPS、8通道数据采集系统(原理示意图:未显示所有连接和去耦)电路描述此电路配合16位、8通道、250 kSPSPulSAR ADC AD7689和两个低成本精密四通
2、道运 算放大器AD8608使用,在数据采集系统内提供所有信号调理和数字化功能。另外仅需要 AD8605运算放大器,用于缓冲AD7689的基准电压。AD8605和AD8608分别是低成本单通道和四通道轨到轨输入和输出CMOS放大器。AD8608 可对10 V输入信号进行反转、电平转换和衰减,以便匹配ADC的输入范围,当使用+4.096 V基准电压源和+5 V单电源时,输入范围为0 V至+4.096 V。AD8605用作外部基准电压缓冲器,为电平转换提供足够的驱动能力。AD8605和AD8608 具有极低的失调电压、低输入电压和电流噪声以及宽信号带宽,因此适合各种应用。AD8608 的低电流和电压
3、噪声可确保电阻噪声是高输入阻抗输出噪声的主要因素。本电路中的输入阻 抗(等于R1)为50 kQ016位、8通道、250 kSPSPulSAR ADC AD7689内置多通道低功耗数据采集系统所需的所 有元件。它包括一个16位SAR ADC、一个8通道低串扰多路复用器、一个低漂移基准电压 源和缓冲器、一个温度传感器、一个可选单极点滤波器和一个通道序列器。序列器可用于连 续扫描通道,且不需要微控制器或FPGA来控制通道开关。AD7689采用20引脚、4 mm X 4 mm LFCSP小尺寸封装,因此成本和印刷电路板(PCB)面积降至最低。工作温度范围为20。 C至+85 C。5 V电源、250 k
4、SPS时的功耗为12.5 mW (典型值)。ADuM3471为四通道数字隔离器,集成PWM控制器和变压器驱动器用以驱动隔离式DC/DC 转换器。ADuM3471为电路提供5 V、2 W隔离电源,并在SPI接口隔离数字信号。模拟前端设计在过程控制和工业自动化系统中,典型的信号电平最高可达土 10 V。图1电路使用具有 衰减和电平转换功能的反相放大器,将10 V信号转换为适合ADC范围的信号。电路公式如下:前端信号增益(-R2/R1)设置为-0.2,使得到达ADC的信号范围为4 V峰峰值。这与0 V至4.096 V的输入范围(等于基准电压VREF)相适合。对于O V输入信号,运算放大器的输出应位于
5、中间电平或0.5 VREF。把公式1代入公式2,得到运算放大器输入端的共模电压通过下式计算:For R3/R4 = 1.4且VREF = 4.096 V时,运算放大器的共模电压为1.7 V。每个AD8608内有四个放大器,四个同相输入短接在一起并连接到电阻分压器R3/R4。 第二个分压器用于第二个AD8608。要消除运算放大器输入偏置电流,二4网电路输入阻抗为R1,理想情况下应较高。不过,电阻热噪声与电阻平方根成正比,因 此系统噪声性能随该电阻值增加而下降。要决定最佳值,需要对噪声进行简单分析。根据奈奎斯特准则,最大信号频率成分应小于最大采样速率的一半。AD7689 250 kSPS 采样速率
6、产生125 kHz的奈奎斯特频率。为了将此带宽内的信号衰减降至最低,前端的3dB 截止频率被设计为奈奎斯特频率的大约12倍或1.5 MHz。此电路的噪声模型如图2所示。本电路中有三种噪声源:电阻噪声、放大器电压噪声和 放大器电流噪声。每个噪声源的均方根值如表1所示。有关运算放大器噪声的详情,请参见 应用笔记 AN-358 和教程 MT-047、MT-048 和 MT-049。图2. AD8608反相配置的噪声模型在目标带宽内,ADC之前的总均方根噪声应小于0.5 LSB,以便ADC可对输入信号进行 正确数字转换。电阻噪声可通过下式计算:=44;at 25C(7)N V tooo其中R单位为Q。
7、使用图1所示电阻值和1.5 MHz带宽时的噪声性能总结在表1中。这些不相关噪声电压以“方和根”形式相加;因此1.5MHz带宽内的总运算放大器输出 均方根噪声约为21.3 p V。对于4.096 V基准电压,16位LSB为62.5 p V。21.3 p V的均 方根噪声小于0.5 LSB,所以图1所示电阻值适合本应用。请注意,总输出噪声的最大来源是电阻R2,在本电路中为10 kQ。减小R2值需要R1 成比例下降,从而降低输入阻抗。AD8608的输入电流噪声很小,除非使用极大电阻值,否则不会成为重要因素AD8605 和AD8608的低输入电流噪声和输入偏置电流使其成为高阻抗传感器(例如光电二极管)
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