CN0310: 24 位、250 kSPS 单电源数据采集系统

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概览

电路笔记PDF, 11/2012 (pdf, 165 kB)
下载英文版PDF, 12/2013 (pdf,  167kB)
优势和特点
  • 24位250kSPS ADC系统
  • 工业信号电平
  • 单电源
此电路中所用产品
    应用: 
  • 仪器仪表
  • 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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  • 原理图
  • 物料清单
  • Gerber 文件
  • PADS 文件
  • 装配图
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评估硬件
Part numbers with "Z" indicate RoHS Compliance.
评估此款电路所需的评估板
  • EVAL-AD7176-2SDZ ($ 59.00) Precision 24-Bit, 250 kSPS Single-Supply Sigma-Delta ADC System for Industrial Signal Levels
  • 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

对工业电平信号进行采样时,必须提供快速高分辨率转换 信息。通常,当采样速率达到500 kSPS时,模数转换器(ADC) 的分辨率可为14位至18位。图1所示电路是一款针对工业 电平信号采样进行优化的单电源系统,采用一个24位、 250 kSPS∑-△型ADC。两个差分通道或四个伪差分通道中的 每一个都能够在采样率为50kSPS时提供17.2位的无噪声代 码分辨率。

本电路利用内置激光微调电阻的创新型差分放大器实现衰 减和电平转换,利用低电源电压的精密ADC可以解决获取 ±5 V、±10 V和0 V至10 V的标准工业电平信号并进行数字 化处理的问题。本电路可应用于过程控制(PLC/DCS模 块)、医疗以及科学多通道仪器和色谱仪。

图1. 工业信号用高精度、24位ADC驱动器(原理示意图:未显示所有连接和去耦)

电路描述

工业电平信号施加于 AD8475 精密差分衰减放大器上,该器 件可将输入信号衰减0.8倍或0.4倍。它集成经过调整并匹 配的精密电阻,用来控制衰减。当 AD8475 使用5 V单电源并 且增益设置为0.4时,支持最高±12.5 V的单端或差分输入。 器件提供最高±15 V的输入过压保护。

当输入信号(增益为0.4)处于±10 V单端或差分输入范围内时 AD8475 AD7176-2 器件组合能够保持线性度,如图4中的 测量INL所示;图中,测量端点分别为−10 V和+10 V。此 时, AD8475 的输出摆幅介于0.5 V和4.5 V之间。

通过对VOCM引脚施加所需的共模电压,便可设置共模输 出。图1所示电路中,通过将 AD7176-2的2.5 V REFOUT 电压施加于 AD8475的VOCM引脚,完成共模电压的设置。

AD8475 提供衰减和电平转换,以便驱动 AD7176-2 的采样 电容输入;功耗仅为3.2 mA。

AD8475 放大器的输出连接到RC滤波器网络,可提供差分 和共模噪声滤波以 AD7176-2 输入采样电容所需的动态充 电。该网络还可隔离放大器输出,使其不受动态开关电容 输入的反冲影响。共模带宽(RIN、C1)为59 MHz。差模带宽(2 × RIN, 0.5C1 + C3) 为 9.8 MHz

还可设置 AD8475使其接受单端信号。将−IN 0.4×输入接 地,并对+IN 0.4×输入施加单端信号。

The AD7176-2 24位、 Σ-Δ ADC 对 AD8475 的输出进行采样,并转 换为数字输出。转换速率和数字滤波器特性可针对5 SPS至 250 kSPS的输出数据速率进行调节。

AD7176-2可配置为两个全差分输入或四个伪差分输入。ADC 支持最高50 kSPS的通道扫描速率。 AD7176-2的无噪声位性 能为17.2位(250 kSPS);20.8位(1 kSPS);以及21.7位(50 SPS)。

图2表示输入接地时的总系统有效均方根噪声。数据速率 为250 kSPS时,有效均方根噪声约为30μV rms。请注意, 满量程时,本电路的线性度在±10 V输入下达到最佳状态, 计算时满量程输入设为20 V p-p。

图2. 均方根输出噪声与输出数据速率的关系

有效分辨率以位数表示,折合到20 V满量程输入范围的计算 公式为:

有效分辨率= log2(均方根噪声)

有效分辨率= log2(20 V/30 μV) = 19.3 位

图3显示,均方根位数的有效分辨率与输出数据数率成函 数关系,输入短接时测量。

图3. 有效分辨率(均方根位数)与输出数据速率的关系

先将均方根噪声转换为峰峰值噪声近似值(均方根噪声乘以 系数6.6),有效分辨率便可转换为无噪声代码分辨率。计 算结果约为2.7位,随后将其从有效分辨率中扣除,以得到 无噪声代码分辨率。如本例所示,经计算后,19.3位有效 分辨率相当于16.6位无噪声代码分辨率。这一结果与 AD7176-2 在无缓冲短路输入情况下,输出数据速率为250 kSPS时的17.2位无噪声位规格相比,大约有0.3位的差异。 这是由于本例仅采用±10 V作为满量程范围,而非±12.5 V的 最大值。

图4显示采用端点法获得的系统积分非线性,用满量程 (FSR)的ppm表示。

图4显示采用端点法获得的系统积分非线性,用满量程 (FSR)的ppm表示。

图4. 积分非线性(INL,以FSR的ppm表示)与输入电压的关系

虽然本电路主要设计用于处理直流输入信号,但它也能转 换低频交流输入信号。其失真性能随模拟输入幅度的变化 而改变。图5和图6分别显示−1 dBFS和−6 dBFS以及1 kHz正 弦波情况下的性能。由Audio Precision 2700系列音频源产生 的正弦波直接输入 AD8475

图5. AD8475至AD7176-2的FFT性能,(1 kHz、−1 dBFS输入音、16384点FFT)
图6. AD8475至AD7176-2的FFT性能,(1 kHz、-6 dBFS输入音、16384点FFT)

若要获得最佳的高分辨率系统性能,则出色的印刷电路板 (PCB)布局、接地以及去耦技巧是必不可少的。详细信 息,请参考 指南 MT-031, 指南 MT-101, the AD8475 数据手册 ,及 AD7176-2 数据手册。欲查看完整原理图和印刷电路板的 布局,请参见 CN-0310 设计支持包.

常见变化

图1所示电路中, AD8475 所选增益为0.4。若选择了0.8增 益,则满量程范围将从±10 V下降到±5 V,导致灵敏度翻倍。

若有两个输入信号,则可使用第二个 AD8475 输出可连接 至 AD7176-2的AN0/AN1引脚。

The ADR445 基准电压源可替换为具有300 mV压差的 ADR4550 基 准电压源。

电路评估与测试

设备要求

需要使用以下设备:

  • EVAL-AD7176-2SDZ评估板和软件
  • 系统演示平台( EVAL-SDP-CB1Z)精密直流电压源
  • 精密直流电压源
  • Audio Precision 2700系列(交流输入)
  • PC(Windows 32位或64位)
  • 7 V至9 V直流电源或壁式电源

软件安装

AD7176-2 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)、Windows Vista和Windows 7 (32位或64位)。如果安装文件未自动运行,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。

完成光盘安装后,将 EVAL-SDP-CB1Z (通过连接器A或连接 器B)连接到 EVAL-AD7176-2SDZ 然后利用附送的电缆将 EVAL-SDP-CB1Z 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。

设置与测试

有关使用软件和运行测试的完整详细信息,请参考 UG-478 用户指南。

图7显示测试设置的功能框图。

若要测试图1中的电路,硬件需要经过下文所述的微小改 变:

  • 信号从位于J8端子板上的A2和A3输入端输入到 AD8475
  • 改变连接到位置C的SL9和SL10焊点,可将来自J8的A2和 A3信号路由至 AD8475 输入端。
  • 安装10 Ω(0603)阻值的R64和R74,将 AD8475 输出连接至 AD7176-2的AIN2和AIN3引脚。
  • 移除板卡底部的R110和R120电阻(如 UG-478用户指南中 所示)。
图7. 测试设置功能框图

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7176-2 24位、250 KSPS Σ-Δ型ADC,建立时间20μS AD7176-2BRUZ
AD8475 精密、可选增益、全差分漏斗放大器 AD8475ACPZ-R7 AD8475BRMZ AD8475ARMZ
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-AD7176-2SDZ Precision 24-Bit, 250 kSPS Single-Supply Sigma-Delta ADC System for Industrial Signal Levels $ 59.00 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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