CN0251: 24 位、4.7 Hz、4 通道模拟数据采集系统

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概览

电路笔记PDF, 04/2014 (pdf, 1223 kB)
下载英文版PDF, 12/2013 (pdf,  253kB)
优势和特点
  • 4通道宽动态范围
  • 工业信号电平
  • 提供高CMR的仪表放大器输入级
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
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  • PADS 文件
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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-CN0251-SDPZ ($ 80.00) A Flexible 4-Channel Analog Front End for Wide Dynamic Range Signal Conditioning
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Eval Control Board
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设备驱动
Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.
连接支持
This circuit supports 3rd party connectivity.

电路功能与优势

图1所示电路是一种灵活的信号调理电路,用于处理宽动态范围(从几mV p-p到20 V p-p)的信号。该电路利用高分辨率模数转换器(ADC)的内部可编程增益放大器(PGA)来提供必要的调理和电平转换并实现动态范围。

在过程控制和工业自动化应用中,±10 V满量程信号非常常见;然而,有些情况下,信号可能小到只有几mV。用现代低压ADC处理±10 V信号时,必须进行衰减和电平转换。但是,对小信号而言,需要放大才能利用ADC的动态范围。因此,在输入信号的变化范围较大时,需要使用带可编程增益功能的电路。

此外,小信号可能具有较大的共模电压摆幅;因此需要较高的共模抑制(CMR)性能。在某些源阻抗较大的应用中,模拟前端输入电路也需要具有高阻抗。

图1. 适合宽工业范围信号调理的灵活模拟前端电路

图1所示电路解决了所有这些难题,并提供了可编程增益、高CMR和高输入阻抗。输入信号经过4通道ADG1409 多路复用器进入 AD8226低成本、宽输入范围仪表放大器。AD8226低成本、宽输入范围仪表放大器。AD8226提供高达80dB的高共模抑制(CMR)和非常高的输入阻抗(差模800ΩM和共模400ΩM)。宽输入范围和轨到轨输出使得AD8226可以充分利用供电轨。

AD8475是一款全差分衰减放大器,集成精密增益电阻,可提供精密衰减(G=0.4或G=0.8)、共模电平转换及单端差分转换功能。AD8475是一种易于使用、完全集成的精密增益模块,采用单电源供电时,最高可处理±10 V的信号电平。因此,AD8475适用于衰减来自AD8226且最高20Vp-p的信号,同时维持高CMR性能并提供差分输出来驱动差分输入ADC。

AD7192是一款内置PGA的24位Σ-Δ型ADC。片内低噪声增益级(G = 1、8、16、32、64或128)意味着可直接向该ADC输入小信号。

结合上述器件,对幅度会变化的信号而言,该电路可以提供非常好的性能且易于配置。该电路适合工业自动化、过程控制、仪器仪表和医疗设备应用。

电路描述

该电路包含一个ADG1409多路复用器、一个AD8226仪表放大器、一个AD8475差动放大器、一个AD7192Σ-Δ型ADC(使用ADR444基准电压源)以及 ADP1720稳压器。只需少量外部元件来提供保护、滤波和去耦,使得该电路具有高集成度,而且所需的电路板(印刷电路板[PCB])面积较小。


稳压器和基准电压源的选择

该电路选择ADP1720-5作为5 V稳压器。它是一款高压、微功耗、低压差线性稳压器,适合工业应用。

该电路选择4.096VADR444作为基准电压源。它是一款超低噪声、高精度、低压差器件,特别适合高分辨率、∑-△型ADC和精密数据采集系统。


输入开关和保护

ADG1409 多路复用器拥有2位二进制地址线,可用于选择四种可能的输入通道之一。该设计还包括外部保护功能,如标准二极管和瞬态电压抑制器,用以增强电路的鲁棒性。这些在图1中并未显示,但是在CN0251设计支持包的详细原理图及其它文档中有所展示。

ADG1409多路复用器配置为接收四路差分输入信号:(VS1A−VS1B)、(VS2A−VS2B)、(VS3A−VS3B)和(VS4A−VS4B)。多路复用器的输出(DA和DB)施加于 AD8226仪表放大器的输入端。


AD8226输入仪表放大器

外部RG电阻设置AD8226的增益。对于该电路,省略了RG,且仪表放大器级的增益为1。因此,AD8226的输出为VSxA–VSxB,其中x为输入通道编号。

AD8226的差分输入由两个4.02k电阻和一个10nF电容进行滤波,这些电阻和电容构成一个截止频率为2.0kHz的单极点RC滤波器。两个1nF电容增加了截止频率为40kHz的共模滤波。


AD7192ADC PGA增益配置

AD7192配置为接收差分模拟输入,以匹配来自AD8475的差分输出信号。 AD7192的满量程输入范围为±VREF/增益,其中±VREF=REFINx(+)-REFINx(-)。

AD7192中的缓冲器使能时,输入通道会驱动缓冲放大器的高阻抗输入级,此模式下的绝对输入电压范围将限制在AGND+250mV至AVDD-250mV。增益级使能后,缓冲器输出将施加于PGA的输入端,模拟输入范围必须限制在±(AVDD-1.25V)/增益以内,因为PGA需要额外的裕量。因此,采用4.096V基准电压源和5V电源时,为了最充分地利用ADC的动态范围,可按表1所示对信号进行衰减或放大。

表1. AD8475AD7192内置PGA的各种输入范围增益配置

输入范围(VSxA − VSxB) AD8475增益 AD7192增益 PGA输出范围,双极性模式(V)
±10 V 0.4 1 ±4
±5 V 0.8 1 ±4
±1 V 0.4 8 ±3.2
±500 mV 0.8 8 ±3.2
±250 mV 0.8 16 ±3.2
± 125 mV 0.8 32 ±3.2
±62.5 mV 0.8 64 ±3.2
±31.25 mV 0.8 128 ±3.2

差分衰减放大器

为了驱动低压ADC,±0V或±5V信号需要进行衰减和电平转换。若将差动放大器配置与精密电阻配合使用,势必会因电阻之间出现失配而导致CMR性能下降。AD8475电平转换器/衰减器集成精密激光调整匹配电阻,可确保低增益误差、低增益漂移(最大33ppm/°C)和高CMR特性。

AD8475提供两个引脚可选的增益选项,即0.4和0.8。VOCM引脚用于调整精密电平转换的输出共模电压,以便匹配ADC的输入范围,并使动态范围最大化。此引脚可保持悬空,并利用一个精密分压器进行内部偏置,该分压器由电源与地之间的两个200M电阻组成,从而在该引脚上提供中间电源电压。

由两个100电阻和一个1F电容组成的一个单极点差分RC滤波器充当AD7192的抗混叠和降噪滤波器,其截止频率为800Hz。两个10nF电容提供截止频率为160kHz的共模滤波。


滤波器、输出数据速率和建立时间

AD7192Σ-Δ型ADC由调制器和数字滤波器组成。输出数据速率(fADC)和建立时间(tSETTLE)与滤波器配置及斩波配置有关。表2显示了不同配置情况下的输出数据速率和建立时间计算情况。

表2. 不同配置的输出数据速率和建立时间

斩波滤波器选项 SINC3 SINC4
禁用 fADC = fCLK/(1024 × FS[9:0])
tSETTLE = 3/fADC
fADC = fCLK/(1024 × FS[9:0])
tSETTLE = 4/fADC
使能 fADC = fCLK/(3 × 1024 × FS[9:0])
tSETTLE = 2/fADC
fADC = fCLK/(4 × 1024 × FS[9:0])
tSETTLE = 2/fADC

布局考虑

该电路或其它任何高速/高分辨率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、信号路由以及适当的电源层和接地层。有关PCB布局的详情,请参见指南 MT-031MT-101以及“ 高速印刷电路板布局实用指南”一 文。


系统性能

24位AD7192 Σ-Δ 型ADC可在该电路中提供非常好的性能。 有关Σ-Δ 型ADC的更多详情, 请参见指南 MT-022 MT-023

在配置设为斩波禁用、输出数据速率为4.7 Hz、增益为1且采用一个SINC4滤波器的情况下,噪声性能如图2所示,500个样本的噪声分布直方图则如图3所示。该电路中测得的峰峰值噪声约为3.9 μV(见图2),均方根噪声为860 nV。这相当于峰峰值(无噪声码)分辨率为20位,均方根分辨率为23位。表3显示了斩波禁用且采用一个SINC4滤波器时一些数据速率和增益设置条件下的AD7192均方根噪声。

图2. 噪声输出(VREF = 4.096 V, AVDD = 5 V, Output Data Rate = 4.7 Hz, a Rate = 4.7 Hz,
图3. 噪声直方图(VREF = 4.096 V,AVDD =5 V,输出数据速率 = 4.7Hz,增益 = 1,斩波禁用,SINC4滤波器)

表3. 斩波禁用且采用一个SINC4滤波器时不同输出数据速率和增益设置条件下的AD7192系统均方根分辨率(减去2.7位以获取峰峰值或无噪声码分辨率)

滤波器字(十进制) 输出数据速率(Hz) 建立时间(ms) 增益 1 增益 8 增益 16 增益 32 增益 64 增益 128
1023 4.7 852.5 23.0 21.8 20.4 19.7 18.8 17.4
640 7.5 533 22.5 21.5 20 19.5 18.5 17.2
96 50 80 22.3 20.9 19.8 19.3 18.2 17
16 300 13.3 21.8 20.2 19.3 18.6 17.6 16.8
5 960 4.17 20.9 19.8 18.9 18 17.2 16.2
1 4800 0.83 19.2 19.0 18.4 17.6 16.6 15.8

常见变化

可使用其它集成PGA的24位或较低分辨率的Σ-Δ型ADC, 例如AD7190AD7193AD7797AD7799。如果无需对输入信号进行衰减, 则可使用功耗低于AD8475AD8476

在无需衰减和高输入阻抗的应用中,可将AD7192 直接连接到传感器,以避免模拟前端调理电路引入的噪声。例如,满量程输出电压较小的称重传感器无需衰减,因此可以直接连接到AD7192 差分输入端(参见 CN-0102 CN-0107 CN-0108 CN-0118 CN-0119 CN-0155)

电路评估与测试

该电路测试设置使用 EVAL-CN0251-SDPZ电路评估板和系统演示平台(SDP)评估板( EVAL-SDP-CB1Z)。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-CN0251-SDPZ 板包含要评估的电路,如本电路笔记所述;SDP评估板与CN-0251 评估软件一起使用,可从 EVAL-CN0251-SDPZ中获取数据。SDP也用于控制AD7792 ADC中的多路复用器输入和各种功能。

设备要求
需要以下设备:

开始使用

CN-0251 评估软件光盘放进PC的光盘驱动器,加载评估 软件。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

图4为测试设置功能框图。EVAL-CN0251-SDPZ-SCH.pdf文件包含EVAL-CN0251-SDPZ 的详细原理图。此文件位于CN-0251设计支持包中:www.analog.com/CN0251-DesignSupport

图4. 测试设置功能框图

设置

EVAL-CN0251-SDPZ 上的120引脚连接器连接到 EVAL-SDP-CB1Z (SDP)上的CONA连接器。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。将直流输出电源成功设置为+15 V、-15 V和+6 V输出后,关闭电源。

在断电情况下,将+15 V电源连接到J3的+15VA引脚,将-15V电源连接到J3的-15VA引脚,将GND连接到J3的AGND引脚。此外,在断电情况下,将6 V电源连接到J2。接通电源,然后将SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。接通EVAL-CN0251-SDPZ的直流电源之前,请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。


测试

设置好电源并将它连接到 EVAL-CN0251-SDPZ后,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 SystemDevelopment 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来发送、接收和捕捉来自 EVAL-CN0251-SDPZ的串行数据。然后,连接信号源以便进行测量。

有关SDP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
AD7192 4.8 kHz、超低噪声、24位、Σ-Δ型ADC,内置PGA AD7192BRUZ
AD8226 宽电源电压范围、轨到轨输出仪表放大器 AD8226ARZ AD8226ARMZ
AD8475 精密、可选增益、全差分漏斗放大器 AD8475ACPZ-R7 AD8475BRMZ AD8475ARMZ
ADG1409 4 Ω导通电阻、4/8通道、±15 V/+12 V/±5 V iCMOS多路复用器 ADG1409YRUZ ADG1409YCPZ-REEL7
ADP1720 50 mA、高压、微功耗线性稳压器 ADP1720ARMZ-3.3-R7 ADP1720ARMZ-5-R7 ADP1720ARMZ-R7
ADR444 超低噪声、4.096V LDO XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力 ADR444ARMZ ADR444ARZ
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-CN0251-SDPZ A Flexible 4-Channel Analog Front End for Wide Dynamic Range Signal Conditioning $ 80.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Eval Control Board $ 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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