概览
设计资源
评估硬件
产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板
- EVAL-CN0251-SDPZ ($85.60) A Flexible 4-Channel Analog Front End for Wide Dynamic Range Signal Conditioning
- EVAL-SDP-CB1Z ($116.52) Eval Control Board
器件驱动器
软件(如C代码和/或FPGA代码等)用于与元件的数字接口通信。
AD719x GitHub no-OS Driver Source Code
AD7192 IIO High Precision ADC GitHub Linux Driver Source Code
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
产品类别
领域和技术
所用产品
参考资料
-
CN-0251 Software User Guide2018/10/22WIKI
-
MT-101:去耦技术2013/11/5PDF954 kB
-
MT-023: ADC架构IV:Σ-Δ型ADC高级概念和应用2013/11/5PDF936 kB
-
MT-022: ADC架构III:Σ-Δ型ADC基础2013/11/5PDF289 kB
-
MT-031: Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND"2009/3/20PDF144 kB
-
MT-073: 高速可变增益放大器(VGA)2009/2/3PDF177 kB
-
CN-0251:24位、4.7 Hz、4通道模拟数据采集系统2014/4/17PDF1223 kB
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AD7192 Σ-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4.096V ADR444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D8226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。
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
AD7192 Σ-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。
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-031 和 MT-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 和 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。
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 |
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:
- 带USB端口的Windows XP、Windows Vista(32位)或Windows 7(32位)PC。
- EVAL-CN0251-SDPZ 电路评估板。
- EVAL- SDP-CB1Z SDP评估板。
- 直流电源:+15 V、-15 V和+6 V。
- CN-0251评估软件。
开始使用
将 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
设置
将 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。