CN0200: 18位、线性、低噪声、精密双极性±10 V直流电压源

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概览

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优势和特点
  • +/-10V工业电平电压输出
  • 高精度18位精度
  • 片内基准电压缓冲器
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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  • Schematic
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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-AD5780SDZ ($ 149.00) Circuit Evaluation board designed to evaluate CN0200
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00)  
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电路功能与优势

图1所示电路是一个18位线性、低噪声、精密双极性(±10 V)电压源,所需外部元件的数量极少。 AD5780 是一款18位、无缓冲电压输出DAC,采用最高33 V的双极性电源供电。正基准电压输入范围为5 V至VDD – 2.5V,负基准电压输入范围为VSS + 2.5 V至0V。两路基准电压输入均在片内缓冲,无需外部缓冲。相对精度最大值为±1 LSB,保证工作单调性,微分非线性(DNL)最大值为±1 LSB。

精密运算放大器AD8675 具有低失调电压(最大值75 μV)和低噪声(典型值2.8 nV/√Hz)特性,是AD5780的最佳输出缓冲器。AD5780具有两个内部匹配的前馈和反馈电阻,这些电阻连接到运算放大器AD8675,并提供10 V偏移电压。因此,采用单个10 V外部基准电压源时,输出电压摆幅可以达到±10 V。

该电路的数字输入采用串行输入,并与标准SPI、QSPI、MICROWIRE®和DSP接口标准兼容。对于高精度应用,通过结合使用AD5780、ADR445 和AD8675等精密器件,这个紧凑的电路可以提供高精度和低噪声性能。

这一器件组合可以提供业界领先的18位分辨率、±1 LSB积分非线性(INL)和±0.75 LSB微分非线性(DNL),可以确保单调性,并且具有低功耗、小尺寸PCB、高性价比等特性,采用LFCSP封装。

图1. 18位精密、±10V电压源(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

图1所示数模转换器(DAC)为AD5780,这是一款SPI接口的18位高压转换器,提供±1 LSB INL、±0.75 LSB DNL和7.5 nV/√Hz噪声频谱密度。另外,AD5780还具有极低的温漂(0.005 LSB/°C)特性。

在图1中,AD5780配置为增益为2的模式,这样便可以用单基准电压源来产生对称的双极性输出电压范围。此工作模式采用外部运算放大器(A2)和片内电阻(参见AD5780数据手册)来提供2倍的增益。这些内部电阻相互之间以及与DAC梯形电阻之间均热匹配,因而可实现比率热跟踪。输出缓冲器同样采用AD8675,它具有低噪声和低漂移特性。该放大器(A1)还用于将低噪声ADR445的+5 V基准电压放大至+10 V。此增益电路中的R2和R3为精密金属薄片电阻,其容差和温度系数电阻分别为0.01%和0.6 ppm/°C。要在整个温度范围内达到最佳性能,R1和R2应处于单个封装内,如Vishay 300144或VSR144系列。R2和R3均选用1 kΩ,以便将系统噪声保持在较低水平。R1和C1构成低通滤波器,截止频率大约为10 Hz。该滤波器用于衰减基准电压源噪声。

线性度测量
利用Agilent 3458A万用表,在EVAL-AD5780SDZ 评估板上演示图1所示电路的精密性能。图2显示积分非线性与DAC代码具有函数关系,且位于±1 LSB的规格范围内。

图2. 积分非线性与DAC码的关系

图3显示微分非线性与DAC代码具有函数关系,且位于−0.25 LSB至+0.75 LSB的规格范围内。

图3. 微分非线性与DAC码的关系

噪声漂移测量
要实现高精度,电路输出端的峰峰值噪声必须维持在1 LSB以下,对于18位分辨率和20 V峰峰值电压范围则为76.29 μV。

实时噪声应用中不会在0.1 Hz处有高通截止频率来衰减1/f噪声,但会在其通带中包含低至DC的频率;因此,测得的峰峰值噪声更为实际,如图4所示。本例中,电路输出端的噪声是在100秒内测得的,测量充分涵盖低至0.01 Hz的频率。截止频率上限大约为14 Hz并受限于测量设置。

图4显示三种条件下的峰峰值:1.2 μV(零电平输出)、32 μV(中间电平输出)和64 μV(满量程输出)。

零电平输出电压的噪声最低,此时噪声仅来自DAC内核。选择零电平码时,DAC会衰减各基准电压路径的噪声贡献。

图4. 100秒内测得的DAC输出电压噪声:满量程(红色)、中间电平(绿色)和零电平(蓝色)

随着测量时间变长,较低频率将包含在内,而峰峰值将变大。频率较低时,温度漂移和热电偶效应会变成误差源。通过选择热系数较小的器件可以将上述效应降至最小。在此电路中,低频1/f噪声的主要来源是基准电压源。另外,基准电压源的温度系数值也是电路中最大的,为3 ppm/°C。为了改善中间电平和满量程DAC输出噪声,需要使用温度控制的超低噪声基准电压源。

图5显示用+5 V Krohn Hite 523型精密基准电压源取代ADR445后的信号链性能。

欲查看完整原理图和印刷电路板的布局,请参见CN-0200设计支持包:www.analog.com/CN0200-DesignSupport

图5. 采用精密基准电压源时,100秒内测得的DAC输出电压噪声:满量程(红色)、中间电平(绿色)和零电平(蓝色)

常见变化

AD5780支持各种不同的输出范围,从0 V至+5 V、最高±10 V以及该范围内的任意值。如果需要对称输出范围,则可以使用增益为2的配置,如图1所示。通过将AD5780内部控制寄存器的RBUF位设为逻辑0,即可选中此模式。如果需要非对称范围,则可以在VREFP和VREFN上施加单独的基准电压源;而输出缓冲器应该如AD5780数据手册中所述配置为提供单位增益。这可以通过将AD5780内部控制寄存器的RBUF位设为逻辑1来实现。

AD8676是运算放大器AD8675 的双通道版本,需要时可以用于该电路。

电路评估与测试

设备要求

  • 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)
  • EVAL-AD5780SDZ评估板和软件
  • Agilent 3458A万用表
  • PC(Windows 32位或64位)
  • National Instruments GPIB转USB-B接口电缆
  • SMB电缆(1)

软件安装
AD5780评估套件包括一张光盘,其中含有自安装软件。该软件兼容Windows XP (SP2)和Vista(32位和64位)。如果安装文件未自动运行,您可以运行光盘中的setup.exe文件。

请先安装评估软件,再将评估板和SDP板连接到PC的USB端口,确保PC能够正确识别评估系统。

  • 光盘文件安装完毕后,按照UG-256的“电源”部分所述为AD5780评估板接通电源。将SDP板(通过连接器A或连接器B)连接到AD5780评估板,然后利用附送的电缆连接到PC的USB端口。
  • 检测到评估系统后,确认出现的所有对话框。这样就完成了安装。
  • 图6. 评估软件主窗口

    功能框图
    测试配置的功能框图如图7所示。

    图7. 测试设置功能框图

    电源配置

    必须提供下列电源:

  • AD5780的数字电源:在连接器J1的VCC与DGND之间提供3.3 V电源。或者将链路1放在位置A,以便从USB端口通过SDP板为数字电路供电(默认设置)。
  • AD5780的正模拟电源:在J2的VDD与AGND输入之间提供+12 V至+16.5 V的电源。
  • AD5780的负模拟电源:在J2的VSS与AGND输入之间提供−12 V至−16.5 V的电源。
  • 链路配置设置
    默认链路选项如表1所示。该板的默认配置为:VREFP = +10 V,VREFN = −10 V,输出范围为±10 V。

    equation

    要将该板配置为图1所示电路,必须对表1中的默认链路配置进行如下改动:

  • 将LK3放在位置B
  • 插入LK4
  • 将LK8放在位置B
  • 这些改动将输出缓冲放大器的增益配置为2,并将AD5780的VREFN引脚连接到地。

    欲了解有关EVAL-AD5780SDZ测试设置的更多信息,请参阅用户指南 UG-256

    测试
    VOUT_BUF SMB连接器连接到Agilent 3458A万用表。线性度测量利用AD5780 GUI上的“测量DAC输出”选项卡进行。

    噪声漂移测量也是在VOUT_BUF SMB连接器上进行。输出电压利用AD5780 GUI上的“设置电压”选项卡进行。峰峰值噪声漂移的测量时间为100秒。

    欲详细了解参数定义以及如何利用测量数据计算INL、DNL和噪声,请参阅AD5780数据手册的“术语”部分和以下文献:数据转换手册第5章“测试数据转换器”,ADI公司

    此电路中所用产品:

    产品 描述 可提供样片的产品型号
    AD5780 可供系统立即使用的18-BIT、±1 LSB INL电压输出DAC AD5780BCPZ
    AD8675 36 V、精密、2.8 nV/√Hz轨到轨输出运算放大器 AD8675ARMZ AD8675ARZ
    AD8676 超高精度、36 V、2.8 nV/√Hz双路RRO运算放大器 AD8676ARMZ AD8676ARZ AD8676BRMZ
    ADR445 超低噪声、5.0V LDO XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力 ADR445ARZ ADR445ARMZ
    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-AD5780SDZ Circuit Evaluation board designed to evaluate CN0200 $ 149.00 Yes
    EVAL-SDP-CB1Z   $ 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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