CN0335 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)。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。 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 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 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。 . 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。 通過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)連接到PC。 通過端子板J2將電壓源(電壓生成器)連接到EVALCN0335-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 DevicesSystem 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)。可將各種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 < 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±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 范圍(V)? k? R4 (kΩ) R5 (kΩ) R6 (kΩ) ?±5 ?1.2 ?40.87 ?18.8 ?20 ?±2 ?2 ?32.174 ?37 ?20 ?±1 ?4 ?40.87 ?94 ?20 ?0 至 1 ?4 ?14.435 ?830 ?20 ?0 至 2 ?2 ?14.087 ?405 ?20 ?0 至 2.5 ?2 ?22.609 ?520 ?20 ?0 至 5 ?2 ?65.217 ?750 ?20 ?0 至 10 ?1 ?63.478 ?365 ?20 ?0 至 24 ?1 ?90.174 ?216 ?10 ? 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。 該電路由一個(gè)輸入信號(hào)調(diào)理級(jí)、一個(gè)ADC級(jí)和一個(gè)輸出隔離級(jí)構(gòu)成。±10 V輸入信號(hào)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ADC的緩沖基準(zhǔn)電壓(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°C。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。 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65μV)、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(jí)后接一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器(R3/C9)，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)可選二階濾波器(R4、C10和R1、R2、C11)，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(hào)帶寬較小，因此可以降低AD7091R的采樣速率。 選擇AD7091R12位1 MSPS SAR ADC是因?yàn)槠湓?.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，僅為349 A，顯著低于當(dāng)前市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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/oC。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3.3 V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(jí))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140mW。 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(jí))隔離器的最大數(shù)據(jù)速率為25 Mbps，對(duì)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(dòng)至處理器，因此，ADuM5401的總雙向傳播遲(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AD7091R650 ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間加上58 ns(數(shù)據(jù)手冊(cè)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。 TS = 650 ns + 58 ns + 16 × 120 ns = 2628 ns fS = 1/TS = 1/2628 ns = 380 kSPS 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(píng)估板。 電路設(shè)計(jì) 圖2所示電路可將?10 V至+10 V輸入信號(hào)衰減及電平轉(zhuǎn)換為0.1 V至2.4 V的ADC輸入范圍。 ? ? ? 圖2. 輸入電壓信號(hào)調(diào)理電路 ? 傳遞函數(shù)通過疊加原理求得： ? 增益、輸出失調(diào)和電阻值的計(jì)算 若輸入電壓范圍為±10 V，則計(jì)算如下。 ? 在實(shí)際電路中，為電阻R4和R5選擇了最接近現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的電阻值。所選值為R4 = 52.3 k?，R5 = 12 k?。注意，R1 = R4，R2 = R5。 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)通過等式1來重新計(jì)算U1A運(yùn)算放大器在±10 V輸入下的輸出，以確保維持所需裕量。 這類電路的絕對(duì)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)，以消除因替代標(biāo)準(zhǔn)值電阻和電阻容差導(dǎo)致的誤差。 計(jì)算不同輸入范圍的電阻 對(duì)于±10 V以外的輸入范圍，可完成下列計(jì)算步驟。 ? 用等式2中定義的數(shù)值替換等式17和等式18中的R和R0，并求解兩個(gè)等式，得出R4/R6比值。 選擇電阻R6的值。通過R4/R6比值算出R4。得到R4和R6數(shù)值，通過等式2和R4/R6比值計(jì)算R5。通過等式16計(jì)算R2和R1?？蛇m當(dāng)選擇R1 = R4并計(jì)算R2。 電阻溫度系數(shù)對(duì)總誤差的影響 響公式1表明，輸出電壓與以下五個(gè)電阻相關(guān)：R1、R2、R4、R5和R6。TP1處的滿量程輸出電壓對(duì)這五個(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。電路的輸入電壓為+10 V。計(jì)算得到的各靈敏度為SR1 = 0.19，SR2 = 0.19，SR4 = 0.39，SR5 = 0.11, SR6 = 0.50。假設(shè)各溫度系數(shù)以和方根(rss)方式組合，則采用100 ppm/°C電阻時(shí)，總滿量程漂移約為： 滿量程漂移 = =100 ppm/°C √(SR12 + SR22 + SR42 + SR52 + SR62) =100 ppm/°C √(0.192 + 0.192 + 0.392 + 0.112 + 0.502) = 69 ppm/°C 69 ppm/°C的滿量程漂移對(duì)應(yīng)于0.0069% FSR/°C。使用25 ppm/°C電阻可將漂移誤差降低至0.25 × 69 ppm/°C = 17 ppm/°C，或者0.0017% FSR/°C。 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AD7091RADC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 V/°C，最大值為4.5 V/°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 誤差源 總誤差 電阻(1%, 100 ppm/°C) ±0.0069% FSR/°C AD7091R (?VVREF/?T = 25 ppm/°C) ±0.0025% FSR/°C AD8606, U1A (?VOS/?T= 4.5 μV/°C), 2? ppm/°C, Referenced to 2.3 V ±0.0002% FSR/°C AD8606, U1B (?VOS/?T= 4.5 μV/°C), 2? ppm/°C, Referenced to 2.5 V ±0.0002% FSR/°C 總FSR誤差溫度系數(shù) (100 ppm/°C 電阻) ±0.0098% FSR/°C Total % FSR Error for ?T=±10°C (100 ppm/°C?電阻) ±0.098% FSR Total % FSR Error for ?T=±10°C (25 ppm/°C?電阻) ±0.046% FSR 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 ? ? 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10 F和0.1 F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 F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)。 ADuM5401isoPower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0.1 ?F和10 ?F。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(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。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見ADuM5401數(shù)據(jù)手冊(cè)。 ? 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(qǐng)參考www.analog.com/CN0335-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(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。 CN0335 12位、300 kSPS、單電源、完全隔離式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于±10 V輸入 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±10 V輸入信號(hào)。室溫校準(zhǔn)后，在±10°C溫度變化范圍內(nèi)的總誤差不超過±0.1% FSR，是各種工業(yè)測(cè)量應(yīng)用的理想之選。 該電路的小巧尺寸使得該組合成為業(yè)界領(lǐng)先的數(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)還能有效避免惡劣工業(yè)環(huán)境下常見的接地環(huán)路干擾問題。 ? ? ? 圖1. ±10 V隔離式單電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(未顯示所有連接和去耦) CN0335 The circuit shown in Figure 1 is a completely isolated 12-bit, 300 kSPS data acquisition system utilizing only three active devices.

The s

• 工業(yè)級(jí)信號(hào)調(diào)理
• 單電源
• 完全隔離

(analog)