CN0261: 针对交流性能优化的18 位、250 kSPS 数据采集系统

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概览

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优势和特点
  • 18位、250kSPS PulSAR ADC
  • 低噪声驱动器
  • 输入为1kHz时,SNR大于100dB
  • 输入为1kHz时,THD大于118dB
此电路中所用产品
    应用: 
  • 电子测试和测量
设计资源
设计和集成文件
  • 原理图
  • 物料清单
  • Gerber Files
  • PADS Files
  • Assembly Drawing
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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-CN0261-SDPZ ($ 79.00) Optimizing AC Performance in an 18-bit, 250 kSPS, PulSAR Measurement Circuit
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Eval Control Board
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电路功能与优势

选择高性能ADC的配套产品是一项非常具有挑战性的工作。图1所示电路是一种用于18位、250 kSPS PulSAR® ADC的完整前端解决方案,专门针对交流性能而优化。

该电路以AD7691为中心,后者是一款PulSAR系列低功耗ADC(2.5 V、100 kSPS时为1.35 mW)。该ADC由超低失真、超低噪声放大器AD8597直接驱动,其基准电压源是超低噪声5 V ADR435。采用1 kHz输入音时,电路信噪比(SNR)为101 dB,总谐波失真(THD)为118 dB。

图1. 高性能、18位ADC前端(原理示意图:未显示所有连接和去耦)

电路描述

此电路的核心部分是一款18位、250 kSPS电荷再分配逐次逼近型模数转换器(ADC) AD7691,采用单电源供电。

它内置一个低功耗、高速、18位无失码的采样ADC、一个内部转换时钟和一个多功能串行接口端口。在CNV上升沿,该器件对IN+与IN-引脚之间的电压差进行采样。这两个引脚上的电压摆幅在0 V至REF之间、相位相反。基准电压(REF)由外部提供,最高可设置为电源电压,AD7691功耗和吞吐速率呈线性变化关系。

在为本电路笔记执行的实验中,AD7691与SDP(系统演示平台板,EVAL-SDP-CB1Z)接口,ADC SPI兼容串行接口则连接到DSP SPORT接口VIO电源。

AD7691采用10引脚MSOP或10引脚QFN (LFCSP)封装。

该ADC由AD8597(每个放大器4.8 mA)驱动,是一款低噪声、低失真运算放大器,非常适合用作输入缓冲器。AD8597在音频频率上具有低噪声(1.1 nV/√Hz)和低谐波失真(小于−120 dB)特性,能够达到音频、医疗和仪器仪表应用中对前置放大器的较宽动态范围要求。此外还具有出色的压摆率(14 V/μs)和10 MHz增益带宽积,非常适合医疗应用。

AD8597可以采用高达±15 V的电源电压工作。为了将功耗降至最低,该电路中选择+8 V和−2 V的电源电压。

AD8597提供8引脚SOIC和LFCSP两种封装,180 Ω电阻和2.7 nF电容构成单极点327 kHz低通滤波器,以进一步降低噪声。

此应用中使用的基准电压源是ADR435,是XFET®系列基准电压源之一,具有低噪声、高精度和低温度漂移性能。利用温度漂移曲率校正专利技术和XFET(外加离子注入场效应管)技术,可以使电压随温度的变化降至最小。

ADR43x系列的源电流输出最高达30 mA,最大吸电流能力为20 mA。它还具有调整引脚,可以在0.5%范围内调整输出电压,而性能则不受影响。

ADR435提供8引脚MSOP或8引脚窄体SOICC封装。

上述配置的动态性能如图2和图3所示,总结如下:

信噪比(SNR) = 101.02dB

总谐波失真(THD) = 118.44 dB

信纳比(SINAD) = 100.94 dB

动态范围 = 101.5 dB

图2. 评估板软件输出屏幕捕获
图3. 250 kSPS时1 kHz音采样的FFT细节

常见变化

PulSAR系列的其它引脚兼容18位ADC提供更高的采样速率:AD7690(400 kSPS)、 AD7982 (1 MSPS)、AD7984(1.33 MSPS)。

AD7986 (2 MSPS)提供20引脚4 mm × 4 mm LFCSP (QFN)封装。

AD8599 运算放大器是AD8597的双通道版本,需要时可以用于该电路。

ADA4841-1 (单通道)和ADA4841-2(双通道)均为较低功耗的运算放大器(每个放大器1.1 mA),但噪声略高(2.1 nV/√Hz)。

ADA4941-1针对驱动差分输入18位ADC而优化,每个放大器功耗为2.2 mA,噪声为10.2 nV/√Hz。

有关PulSAR ADC总结和推荐驱动器,请参考www.analog.com/zh/PulSAR

ADI公司的ADR43x系列或其它基准电压源系列提供其它基准电压。

虽然通过内置缓冲器生成VCM信号来偏置输入非常普遍,但是此电路无需缓冲器即可实现额定性能。

电路评估与测试

设备要求(可以用同等设备代替)

  • EVAL-CN0261-SDPZ电路评估板
  • 系统演示板(EVAL-SDP-CB1Z)
  • 函数发生器、Audio Precision SYS-2522
  • 外部10 nF陶瓷滤波器电容,如图4所示
  • 电源:+8 V (50 mA)、−2 V (50 mA)、+5 V (500 mA)。
  • 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7(32位)PC

设置和测试
交流性能测量设置的框图如图4所示。EVAL-CN0261-SDPZ板由台式电源驱动,如图所示。欲查看该评估板的完整文档,请参见 www.analog.com/CN0261DesignSupport

为测量频率响应,设备按图5所示进行连接。Audio Precision SYS-2522设置为以低于满量程0.5 dB的输入信号电平的条件下输出1 kHz音。外部10 nF电容用作信号发生器输出端的低通降噪滤波器。然后,利用评估板软件采集并分析FFT数据。

软件分析是评估板软件的一部分,使用户可以采集并分析直流或交流性能。

除交流性能以外,评估板软件还允许用户分析波形数据并绘制所测输入信号的直方图。

图4. 用于测量交流性能的测试设置

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7691 18位、1.5 LSB INL、250 kSPS PulSAR® 差分ADC,采用MSOP或QFN封装 AD7691BCPZRL7 AD7691BRMZ
AD8597 超低失真、超低噪声运算放大器(单通道) AD8597ACPZ-REEL7 AD8597ARZ
ADR435 超低噪声、5.0V XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力

欲获取样片,请 联系ADI公司

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-CN0261-SDPZ Optimizing AC Performance in an 18-bit, 250 kSPS, PulSAR Measurement Circuit $ 79.00 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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