CN0066: 基于24位Σ-Δ型ADC AD7793和数字隔离器ADuM5401的全隔离输入模块

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概览

电路笔记PDF, 11/2010 (pdf, 329 kB)
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优势和特点
  • 全隔离输入模块
  • 24位Sigma-Delta ADC
  • 单电源输入电路
  • 可编程增益能够检测到微小信号
此电路中所用产品
    应用: 
  • 可编程逻辑控制和分布式控制系统
  • 温度控制器
设计资源
设备驱动
Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.

电路功能与优势

本电路为要求隔离的单电源输入电路设计提供了一种完整的解决方案。AD7793是一款24位Σ-Δ型ADC,内置片内PGA,因而可以直接处理来自传感器的小信号输入。PGA增益可以设置为1、2、4、8、16、32、64或128。ADuM5401提供微控制器与输入之间所需的全部信号隔离和电源。本电路还含有标准外部保护功能,且经过测试和验证,完全符合IEC 61000标准。

图1. 24位隔离式单电源输入电路(原理示意图)

电路描述

传感器输出通常是小信号,例如热电偶或RTD等。本设计允许将这些小信号输入直接与AD7793的输入相连,后者具有最大增益为128的内部PGA。该设计可以用作非环路供电SMART发射器的完整解决方案。

本电路选择ADR441 为基准电压源。它具有0.04%的出色精度特性,温度漂移最大值为3 ppm/°C。

ADuM5401是一款采用ADI公司iCoupler®技术并集成isoPower技术的四通道隔离器。它可用来在现场端与系统微控制器之间实现隔离,隔离额定值为2.5 kV(均方根值)。ADuM5401还集成了DC-DC转换器,可在5 V或3.3 V时提供500 mW的稳压隔离电源。本设计利用ADuM5401提供的5 V电压为输入模块上的所有模拟电路供电。所有四条数据线都得到利用:三条用于发射, (CS, SCLK, DIN) 一条用于接收(DOUT),这些线与标准SPI接口相连。

图2. 输入模块直方图(AD7793,512个样本,数据速率为4.17 Hz,增益为1,输入为2.5 V基准电压)

图2所示为2.5 V基准电压与AD7793的输入相连时,其输出性能的直方图。输出端测得的噪声以峰峰分辨率来衡量。20.4位峰峰分辨率值表示:相对于ADC的24位分辨率,ADC输出端有3.6位“闪烁噪声”。因此,ADC的“无噪声”码分辨率为20.4位。就对整体系统误差的贡献而言,测得的3.6位噪声相对于ADC的满量程范围贡献了约0.00007%的误差。AD7793的积分非线性误差为0.0015%。

本设计还含有外部保护功能(如标准保护二极管和TVS器件等),且成功通过测试,符合下列表1所示的IEC 61000标准。关于外部保护技术的详细讨论,请参考 Colm Slattery、Derrick Hartmann和Li Ke合作撰写的“PLC评估板简化工业过程控制系统设计”一文(《模拟对话》,43-04,2009年4月)。

表1. 符合IEC标准

测试项目 描述 结果
EN & IEC 61000-4-2 静电放电(ESD),±4 kV VCD 最大偏差:0.32%(CH3. Class B)
静电放电(ESD),±8 kV HCD 最大偏差:0.28%(CH3. Class B)
EN & IEC 61000-4-3 辐射抗扰度80 MHz 至 1 GHz(10 V/m),垂直天线极化 最大偏差:0.09%(CH1),0.30%(CH3. Class B)
辐射抗扰度80 MHz 至 1 GHz(10 V/m),水平天线极化 最大偏差:–0.04%(CH1),0.22%(CH3. Class B)
辐射抗扰度1.4 GHz 至 2 GHz(3 V/m),垂直天线极化 最大偏差:0.01%(CH1),-0.09%(CH3. Class B)
辐射抗扰度1.4 GHz 至 2 GHz(3 V/m),水平天线极化 最大偏差:0.01%(CH1),0.09%(CH3. Class B)
EN & IEC 61000-4-4 电快速瞬变(EFT) ±2 kV电源端口 最大偏差:–0.12%(CH3. Class B)
电快速瞬变(EFT) ±1 kV信号端口 最大偏差:–0.02%(CH3. Class A)
EN & IEC 61000-4-5 电源线突波,±0.5 kV 未发生电路板或器件损坏情况,符合Class B要求
EN & IEC 61000-4-6 对电源线执行抗扰度测试,10 V/m、5分钟 最大偏差:0.09%(CH3. Class B)
对I/O电缆执行抗扰度测试,10 V/m、5分钟 最大偏差:–0.93%(CH3. Class B)
EN & IEC 61000-4-8 磁场抗扰度,水平天线极化 最大偏差:–0.01%(CH3. Class A)
磁场抗扰度,垂直天线极化 最大偏差:–0.02%(CH3. Class A)

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7793 3通道、低噪声、低功耗、24位Σ-Δ型ADC,内置片内仪表放大器和基准电压源 AD7793BRUZ
ADR441 超低噪声、2.5V LDO XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力 ADR441ARMZ ADR441ARZ
ADUM5401 集成DC/DC转换器的四通道隔离器(3/1通道方向性) ADUM5401CRWZ ADUM5401WCRWZ ADUM5401ARWZ ADUM5401WCRWZ-1
沪ICP备09046653号
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