CN0175: 具有84 dB SNR和出色的通道间匹配性能的低成本、8通道、同步采样数据采集系统

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概览

电路笔记PDF, 01/2011 (pdf, 347 kB)
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优势和特点
  • 多通道同时采样数据采集系统
  • 动态范围大于80 dB的14位SAR ADC
  • 集成保护功能、放大器和滤波
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
  • 电子测试和测量

电路功能与优势

对于要求宽动态范围的低成本、高通道数应用,片内集成14位SAR ADC的8通道集成数据采集系统(DAS) AD7607 可以用来有效实现超过80 dB的动态范围。

DAS的典型应用是电力线测量和保护设备,其中必须对多相输配电网络的大量电流和电压通道进行同时采样。

许多低压电力线测量和保护系统不需要全部的16位ADC分辨率(例如AD7606 DAS所提供的分辨率),但仍然需要80 dB以上的动态范围,以便捕捉欠压/欠流和过压/过流条件。此外还需要同步采样能力,以便保持多相电力线的电流和电压通道之间的相位信息。

AD7607是集成14位、双极性输入、同步采样SAR ADC的8通道DAS,具有84 dB的信噪比(SNR),可满足这类低压保护和测量系统的要求。图1所示电路还使用一个外部精密、低温漂、低噪声基准电压源ADR421 ,支持要求绝对精度性能的高通道数应用。

图1. 低成本、8通道、同步采样数据采集系统(简化的电气原理图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

AD7607是一款集成式数据采集系统,片内集成输入放大器、过压保护电路、模拟抗混叠滤波器、14位SAR ADC和数字滤波器。本电路由AD7607和2.5 V基准电压源ADR421共同构成。为实现良好的通道间匹配,围绕模拟输入通道和器件去耦的对称布局非常重要。

下文概括了为实现出色的通道间匹配和84 dB SNR性能,AD7607和ADR421宜采用何种推荐的布局。

AD7607评估板布局
为确保良好的通道间匹配,模拟输入通道对称布局非常重要。在内置多个AD7607器件的系统中,为确保器件之间的性能匹配良好,这些器件必须采用对称布局。

图2所示为AD7607和ADR421的最佳电路板布局。AVCC电压平面沿AD7607的右侧布设,VDRIVE电源走线沿AD7607的左侧布设。基准电压源ADR421位于AD7607的南面。这里使用了实心接地层。

图2. 显示AD7607 DAS和ADR421基准电压源的PCB布局布线

这些对称布局原则同样适用于含有多个AD7607器件的系统。AD7607器件应沿南北方向放置,基准电压位于这些器件的中间,基准电压走线则沿南北方向布设,类似于图2。关于使用多个AD7606(16位8通道DAS)的系统详细信息,请参见电路笔记 CN-0148.

良好的去耦也很重要,以便降低AD7607的电源阻抗,并减少电源尖峰幅度。去耦电容应尽可能放置在靠近DUT电源引脚及其对应的接地引脚。REFIN/REFOUT引脚和REFCAPA、REFCAPB引脚的去耦电容同样是攸关性能的重要去耦电容,应尽可能靠近相应的AD7607引脚。可能的话,应将这些电容放在电路板上与AD7607器件相同的一侧。图3显示了AD7607电路板顶层的建议去耦布局。

图3. 顶层去耦

电路板顶层上的四个陶瓷电容是REFIN/REFOUT引脚、REFCAPA引脚和REFCAPB引脚的去耦电容。这些电容沿南北方向放置,以便尽可能靠近相应的引脚。图4显示了底层去耦布局,它用于4个AVCC 引脚和VDRIVE 引脚的去耦。这里使用了多个过孔将引脚与其相应的去耦电容相连。AD7607器件周围去耦电容的对称布局有利于器件间的性能匹配。多个过孔用来将电容焊盘和引脚焊盘接地及接到电压平面和基准电压走线。

图4. 底层去耦

通道间匹配
在高通道数系统中,良好的通道间和器件间性能匹配可以大大简化校准程序。AD7607器件、模拟输入通道和去耦电容的对称布局有助于多个器件之间的性能匹配。使用公共系统基准电压能进一步增强系统的匹配性能。图5显示所有输入接地时电路板上8个通道的实测匹配性能。这里展示了最多三个码的分布直方图,各通道直方图的中心为码1。

图5. 输入接地时8个通道的直方图

交流性能
本电路中,AD7607配置为在外部基准电压源模式下工作。ADR421为AD7607的REFIN/REFOUT引脚提供2.5 V基准电压。对AD7607的通道1施加一个1 kHz信号。AD7607的输入范围配置为±5 V。在所有8个通道上以200 kSPS采样时,AD7607的SNR达到84.12 dB。这一性能相当于大约13.7位的有效位数(ENOB),其中ENOB = (SNR − 1.76 dB)/6.02。

图6. FFT显示SNR为84.12 dB(输入 = 1 kHz,fs = 200 kSPS)

为进一步提高SNR性能和系统的ENOB,可以将AD7607配置为以8倍过采样模式工作。这种模式下,SNR提高到85.25 dB,因而有效位数提高到13.9位。当AD7607在8倍过采样模式下使用时,各通道的吞吐速率降至25 kSPS。

图7. FFT显示SNR为85.26 dB(8倍过采样,fs = 25 kSPS)

上述建议布局能够确保一个AD7607实现良好的通道间匹配性能,并且同一PCB板上的多个AD7607之间也具有良好的器件间匹配性能。AD7607和ADR421能够实现84 dB的SNR,满足变电站自动化设备中的低压保护和测量应用的80 dB以上动态范围需求。

常见变化

AD7607是一款8通道、14位DAS。ADI还提供 AD7606-6 (6通道16位DAS)和 AD7606-4(4通道16位DAS)。AD7608是一款8通道、18位DAS。相应的基准电压源可以利用基准电压源选型和评估工具进行选择。有关同一电路板上使用多个AD7606 16位器件的布局和性能问题的更多信息,请参见电路笔记CN-0148。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7607 200 kSPS、8通道、同步采样、双极性、14位ADC AD7607BSTZ
ADR421 超精密、低噪声、2.500 V XFET®基准电压源 ADR421ARZ
沪ICP备09046653号
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