CN0194: 电流隔离、双通道、16位、同步采样、菊花链连接的数据采集系统

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概览

电路笔记PDF, 01/2012 (pdf, 464 kB)
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优势和特点
  • 同步采样
  • 隔离式高速模拟数字转换
  • 电平转换并衰减+/- 10 V工业信号
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
  • 电子测试和测量
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评估硬件
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评估此款电路所需的评估板
  • EVAL-CFTL-6V-PWRZ ($ 16.60) Wall Power Supply for Eval Board
  • EVAL-CN0194-SDPZ ($ 70.00) Galvanically Isolated, 2-Channel, 16-Bit, Simultaneous Sampling, Daisy-Chained Data Acquisition System
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Eval Control Board SDP
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电路功能与优势

本电路为高速、高精度、同步采样模数转换应用提供电流隔离,如图1所示。16位PulSAR ADC AD7685 是一款多功能器件,支持通过菊花链监控多个通道。基于运算放大器 AD8615的输入电路对±10 V工业信号进行电平转换、衰减和缓冲,以满足ADC的输入要求。这个灵活的电路包括一个精密基准电压源ADR391 和两个四通道数字隔离器ADuM1402 ,以便为常见的工业数据采集应用提供紧凑且具成本效益的解决方案。

图1. 电流隔离的双通道、同步采样、16位、含菊花链连接的模数转换系统(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

AD7685是一款16位、电荷再分配、逐次逼近型(SAR)模数转换器(ADC),采用2.3 V至5.5 V单电源(VDD)供电。它内置一个低功耗、高速、16位无失码、无流水线延迟的采样ADC、一个内部转换时钟和一个多功能串行接口端口,还集成了一个低噪声、宽带宽、短孔径延迟的采样保持电路。在CNV上升沿,它对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样,范围从0 V至VREF。基准电压VREF由外部提供,范围从0.5 V至VDD。图1所示电路采用4.5 V基准电压。

AD7685的功耗与采样速率成线性比例关系。VDD = 5 V且采样速率为250 kSPS时,最大功耗为15 mW。AD7685采用10引脚MSOP封装或10引脚QFN(LFCSP)封装,工作温度范围为−40°C至+85°C。SPI兼容串行接口还能够利用SDI输入,将几个ADC以菊花链形式连结到单条三线式总线上,或提供一个可选的繁忙(BUSY)指示功能。它采用独立的VIO电源引脚,与1.8V、2.5V、3V或5V逻辑兼容。

完整的模拟信号链采用5 V单电源供电。低压差2.5 V基准电压源ADR391和U13轨到轨CMOS运算放大器AD8615,产生ADC所用的4.5 V基准电压。4.5 V基准电压在U13的输出端提供0.5 V裕量,因此,在5 V电源的标称变化范围内,运算放大器始终保持在线性区域内工作。ADR391 2.5 V输出由U13的噪声增益(1 + R4/R5)放大。对于所选的R4和R5值,噪声增益为1.8,因此基准电压为1.8 × 2.5 V = 4.5 V。

U4和U14运算放大器AD8615提供0.225的信号增益(由R1与R2和R19与R20的比值设置),将20 V p-p的输入信号幅度降至ADC输入端的4.5 V p-p。对于0 V输入,U4和U14的输出端需要2.25 V偏移,这就要求U4和U14同相输入端的共模电压为1.84 V,该电压由电阻分压器R3-R6产生。

U4和U14输出端的R-C网络(33 Ω、2.7 nF)形成一个带宽为1.8 MHz的单极点噪声滤波器。

AD8615是一款CMOS轨到轨输入和输出、单电源放大器,具有极低失调电压、宽信号带宽以及低输入电压和电流噪声等特性。该器件采用DigiTrim®专利调整技术,无需激光调整便可达到出色的精度。AD8615采用2.7 V至5 V单电源供电。

20 MHz以上的带宽、低失调、低噪声和低输入偏置电流特性的结合,使该放大器适合各种应用。滤波器、积分器、光电二极管放大器和高阻抗传感器等器件均可受益于这些特性组合。宽带宽和低失真特性则有益于交流应用。在DigiTrim系列中,AD8615提供最高的输出驱动能力,是音频线路驱动器和其它低阻抗应用的理想选择。

该器件的具体应用包括:便携式和低功耗仪器仪表、便携式设备的音频放大、便携式电话耳机、条形码扫描器以及多极点滤波器。它还具有轨到轨输入与输出摆幅能力,因而设计人员可以在单电源系统中缓冲CMOS ADC、DAC、ASIC及其它宽输出摆幅器件。

ADR391是一款微功耗、低压差基准电压源,可利用仅比输出电压高出300 mV的电源提供稳定的输出电压。先进的设计无需外部电容,可进一步节省电路板空间、降低成本。ADR391精密基准电压源具有低功耗、小尺寸和易于使用的特点,非常适合电池供电应用。该器件利用ADI公司的温度漂移曲率校正专利技术,可在TSOT封装中实现9 ppm/°C的低温漂特性。

ADuM1402是一款采用ADI公司iCoupler®技术的四通道数字隔离器。该隔离器件将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体,具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征。

iCoupler 器件不用LED和光电二极管,因而不存在一般与光耦合器相关的设计困难。简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征,可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。

这些iCoupler产品不需要外部驱动器和其它分立器件。此外,在信号数据速率相当的情况下,iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6。

ADuM1402隔离器提供四个独立的隔离通道,支持2/2方向和最高达90 Mbps(C级)的多种数据速率(请参考数据手册“订购指南”部分)。所有型号均可采用2.7 V至5.5 V电源电压工作,与低压系统兼容,并且能够跨越隔离栅实现电压转换功能。此外,ADuM1402具有低脉冲宽度失真(小于2 ns)和严格的通道间匹配(小于2 ns)特性。与其它光耦合器不同,ADuM1402隔离器具有已取得专利的刷新特性,可确保不存在输入逻辑转换时及缺少一个电源条件下的直流正确性。

图1显示AD7685如何通过菊花链连接起来,以减少需要隔离的信号数量。注意,RSCLK和RFS分别是AD7685串行时钟(SCK)和串行帧同步(CNV)的回读结果,这些回读信号相对于DATA信号的偏斜必须非常短。该偏斜为数字隔离器的通道间匹配传播延迟(tPSKCD),对于ADuM1402C小于2 ns。因此,串行接口能够以数字隔离器的最大速度工作(ADuM1402C为90 Mbps),对应于90 MHz的最大串行时钟频率。如果延迟过长,它可能要受到数字隔离器传播延迟级联的限制。本电路中,对于250 kSPS的采样频率,TSCLK频率为30 MHz。

将两个相位相差90°的±10 V信号施加于EVAL-CN0194-SDPZ板的两个通道(AIN1和AIN2),利用随附的评估软件获得转换结果,如图2所示。使用随附的评估软件还可以查看FFT数据(图3),以及固定直流电平时的代码直方图(图4)。

该电路或任何高速电路的性能都高度依赖于适当的PCB布局,包括但不限于电源旁路、受控阻抗线路(如需要)、元件布局、信号布线以及电源层和接地层。(有关PCB布局的详情,请参见教程 MT-031MT-101 高速印刷电路板布局实用指南一文。)

有关本电路笔记的完整设计支持包,请参阅 www.analog.com/zh/CN0194-DesignSupport

图2. 两个相位相差90°的独立±10V输入信号(AIN1、AIN2)的15,000个样本,施加于EVAL-CN0194-SDPZ板(菊花链模式)的AIN1和AIN2,采样速率250 kSPS
图3. Kaiser窗口(参数 = 20)、20 kHz输入、250 kSPS采样速率下的FFT
图4. 一个直流输入的直方图(码中心,390,000个样本)

常见变化

PulSAR系列的其它引脚兼容16位ADC提供更高的采样速率: AD7686 (500 kSPS)、AD7980 (1 MSPS)和 AD7983 (1.33 MSPS)。如果需要18位分辨率,下列器件也是PulSAR系列的引脚兼容产品: AD7691 (250 kSPS)、 AD7690 (500 kSPS)、 AD7982 (1 MSPS)和 AD7984 (1.33 MSPS)。运算放大器 AD8615还提供双通道( AD8616) 和四通道 ( AD8618) 版本。其它可用的驱动运算放大器包括 ADA4841-1(单通道)、 ADA4841-2(双通道)和 ADA4941-1 (双通道差分)。

电路评估与测试

本电路使用EVAL-CN0194-SDPZ电路板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)评估板。这两片板具有120引脚的对接连接器,可以快速完成设置并评估电路性能。EVAL-CN0194-SDPZ板包含要评估的电路,如本笔记所述。SDP评估板与CN0194评估软件一起使用,可从EVAL-CN0194-SDPZ电路板获取数据。

设备要求

  • 带USB端口和Windows® XP、Windows Vista(32位)或Windows 7(32位)PC
  • EVAL-CN0194-SDPZ电路评估板
  • EVAL-SDP-CB1Z SDP评估板
  • CN-0194评估软件
  • 电源:+6 V或+6 V壁式电源适配器
  • 低失真信号源,如Audio Precision System Two 2322等

开始使用
将CN0194评估软件光盘放进PC的光盘驱动器,加载评估软件。打开“我的电脑”,找到包含评估软件光盘的驱动器,打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。

功能框图
电路框图参见本电路笔记的图1,电路原理图参见PDF文件“EVAL-CN0194-SDPZ-SCH”。此文件位于CN0194设计支持包中。

设置
EVAL-CN0194-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上标有“CON A”的连接器。应使用尼龙五金配件,通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。在断电情况下,将一个+6 V电源连接到板上标有“+6V CFTL”和“+6 V SDP”的引脚。如果有+6 V壁式电源适配器,可以将它连接到板上的管式插孔连接器,代替+6 V电源。SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注:此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。

测试
为连接到EVAL-CN0194-SDPZ电路板的+6 V电源(或壁式电源适配器)通电。启动评估软件,并通过USB电缆将PC连接到SDP板上的微型USB连接器。如果设备管理器中列出了Analog Devices System Development Platform驱动器,软件将能与SDP板通信。

一旦USB通信建立,就可以使用SDP板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0194-SDPZ板的串行数据。

本电路笔记中的数据是利用Audio Precision System Two 2322信号源和GlobTek电源产生,信号源的频率设置如图中所示。

有关SDP板的信息,请访问:www.analog.com/SDP

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7685 16-Bit, 250 kSPS PulSAR® ADC in MSOP/QFN AD7685CCPZRL7 AD7685BRMZ AD7685BCPZRL7 AD7685CRMZ AD7685ARMZ AD7685ACPZRL7
AD8615 精密20 MHZ CMOS单通道RRIO运算放大器 AD8615AUJZ-REEL7
ADR391 2.5 V微功耗、低噪声、精密基准电压源,内置关断功能 ADR391AUJZ-REEL7
ADUM1402 四通道数字隔离器(2/2通道方向性) ADUM1402CRWZ ADUM1402ARWZ ADUM1402BRWZ ADUM1402WSRWZ
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
购买/样片
EVAL-CFTL-6V-PWRZ Wall Power Supply for Eval Board $ 16.60 Yes
EVAL-CN0194-SDPZ Galvanically Isolated, 2-Channel, 16-Bit, Simultaneous Sampling, Daisy-Chained Data Acquisition System $ 70.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Eval Control Board SDP $ 99.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
沪ICP备09046653号
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