Обзор

Ресурсы проектирования

Файлы проектирования и интеграции

  • Схемы
  • Спецификация
  • Файлы Gerber
  • Файлы PADS
  • Сборочный чертеж
Загрузить файлы проектов 2340 kB

Оценочные платы

Буква "Z" в наименовании компонента указывает на соответствие требованиям RoHS. Отмеченные платы нужны для оценки данной схемы

  • EVAL-CN0251-SDPZ ($80.00) A Flexible 4-Channel Analog Front End for Wide Dynamic Range Signal Conditioning
  • EVAL-SDP-CB1Z ($108.90) Eval Control Board
Проверка наличия и приобретение

Драйверы устройств

ПО (код на С и/или FPGA) для связи с цифровым интерфейсом компонента.

AD7190 - Драйвер микроконтроллера, не требующий ОС

Пример драйвера Linux для быстродействующего прецизионного АЦП AD7192

Особенности и преимущества

  • 4-канальная система, работающая в широком динамическом диапазоне
  • Поддержка уровней сигналов промышленных стандартов
  • Входной каскад на основе инструментального усилителя

Продукты

Области применения и технологии

Продукты

Функции и преимущества схемы

Схема, показанная на рисунке 1, представляет собой универсальную схему согласования сигналов для работы с сигналами в широком динамическом диапазоне, величина которых может варьироваться от нескольких милливольт в размахе до 20 В. Данная схема обеспечивает необходимое согласование и изменение уровней сигналов, а также обеспечивает широкий динамический диапазон благодаря усилителю с программируемым усилением, встроенному в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с высоким разрешением.

Полномасштабный сигнал ±10 В является типичным в системах управления процессами и системах промышленной автоматики. Однако в некоторых случаях сигнал может быть довольно малым, например, он может иметь амплитуду в несколько милливольт. Для работы характеризующихся низким входным напряжением современных АЦП с сигналами ±10 В необходимы цепи ослабления и сдвига уровней сигналов. Однако для работы с небольшими сигналами необходимо усиление, чтобы использовать динамический диапазон АЦП. Следовательно, в таком случае желательна цепь с программируемым усилением, когда входной сигнал может изменяться в широком диапазоне.

Кроме того, малые сигналы могут иметь большие размахи синфазной составляющей. Следовательно, система должна обладать высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала. В некоторых случаях, когда импеданс источника является большим, импеданс входного аналогового интерфейса также должен быть большим.

Рисунок 1. Схема универсального аналогового входного интерфейса с цепью согласования сигналов в широком диапазоне
Рисунок 1. Схема универсального аналогового входного интерфейса с цепью согласования сигналов в широком диапазоне


Схема, показанная на рисунке 1, решает все эти задачи и обеспечивает программируемое усиление, высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала и высокий входной импеданс. Входной сигнал проходит через 4-канальный мультиплексор ADG1409 в недорогой инструментальный усилитель с широким диапазоном входного напряжения AD8226. AD8226 имеет высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала до 80 дБ и очень высокий входной импеданс (800 МОм в дифференциальном режиме и 400 МОм в синфазном режиме). Благодаря широкому диапазону входного напряжения и выходному диапазону rail-to-rail усилитель AD8226 может использовать полный диапазон питающего напряжения.

AD8475 представляет собой полностью дифференциальный, ослабляющий усилитель со встроенными прецизионными резисторами настройки коэффициента усиления. Он обеспечивает прецизионное ослабление сигнала (G = 0,4 или G = 0,8), сдвиг уровней синфазного сигнала и преобразование несимметричного сигнала в дифференциальный. AD8475 является простым в использовании высокоинтегрированным прецизионным усилительным каскадом, предназначенным для работы с уровнями сигнала до ±10 В при однополярном напряжении питания. Таким образом, AD8475 является оптимальным вариантом для ослабления поступающих от AD8226 сигналов с напряжением 20 В в размахе, обеспечивая при этом высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала и дифференциальный выход для непосредственного подключения к дифференциальному входу АЦП.

AD7192 представляет собой 24-разрядный сигма-дельта (σ-Δ) АЦП со встроенным усилителем с программируемым коэффициентом усиления. Благодаря характеризующемуся малым уровнем шума встроенному каскаду усиления (G = 1, 8, 16, 32, 64, или 128) источники сигналов большой и небольшой амплитуды можно подключать непосредственно к АЦП.

Благодаря сочетанию всех ранее описанных частей данная схема имеет очень высокие рабочие характеристики и позволяет работать с сигналами с различными амплитудами. Эта схема может быть использована в системах промышленной автоматики, системах управления технологическими процессами, контрольно-измерительных приборах и медицинском оборудовании.

Описание схемы

Схема состоит из мультиплексора ADG1409, инструментального усилителя AD8226, разностного усилителя AD8475 и сигма-дельта АЦП AD7192 с источником опорного напряжения ADR444, а также стабилизатора напряжения ADP1720. Несколько внешних компонентов используются для защиты, фильтрации и развязки, что делает эту схему высоко интегрированной, вследствие чего для ее реализации требуется небольшая печатная плата.


Выбор стабилизатора и источника опорного напряжения

В качестве стабилизатора напряжения на 5 В для данной схемы был выбран ADP1720-5. Это высоковольтный малопотребляющий линейный стабилизатор с малым падением напряжения, подходящий для применения в промышленном оборудовании.

Источник опорного напряжения ADR444 на 4,096 В был выбрана в качестве источника опорного напряжения для этой схемы. Он представляет собой сверхмалошумящее, высокоточное устройство с малым падением напряжения, которое является оптимальным вариантом для использования с сигма-дельта АЦП высокого разрешения и прецизионными системами сбора данных.


Ключ и защита на входе

Мультиплексор ADG1409 имеет 2-битные двоичные адресные линии, которые используются для выбора одного из четырех возможных входных каналов. Схема также содержит внешние компоненты защиты, такие как стандартные диоды и супрессоры для подавления переходных напряжений, которые повышают надежность схемы. Они не показаны на рисунке 1, но они показаны в подробной схеме и другой документации, имеющейся в пакете поддержки проектирования CN0251.

Мультиплексор ADG1409 сконфигурирован для приема четырех дифференциальных входных сигналов: (VS1A − VS1B), (VS2A − VS2B), (VS3A − VS3B) и (VS4A − VS4B). Выходы мультиплексора DA и DB подключены к входам инструментального усилителя AD8226.


Инструментальный усилитель AD8226

С помощью внешнего резистора RG можно установить коэффициент усиления AD8226. В данной схеме RG не используется, поэтому коэффициент усиления каскада на основе инструментального усилителя равен 1. Следовательно, на выходе AD8226, будет присутствовать сигнал VSxA - VSxB, где x – номер входного канала.

Дифференциальный входной сигнал усилителя AD8226 отфильтровывается, проходя через два резистора сопротивлением 4,02 кОм и конденсатор емкостью 10 нФ, которые образуют однополюсный RC-фильтр с частотой среза 2,0 кГц. Два конденсатора емкостью 1 нФ обеспечивают фильтрацию синфазного сигнала с частотой среза 40 кГц.


Настройка коэффициента усиления программируемого усилителя в составе АЦП AD7192

АЦП AD7192 настроен на прием дифференциальных аналоговых входных сигналов, и его входы согласованы для приема дифференциальных выходных сигналов от AD8475. Полномасштабный диапазон входных сигналов AD7192 составляет ±VREF/усиление, где ±VREF = REFINx(+) - REFINx(-).

Когда буфер в AD7192 включен, входной канал согласуется с характеризующимся высоким импедансом входным каскадом буферного усилителя, а абсолютный диапазон входного напряжения в этом режиме ограничен диапазоном AGND + 250 мВ и AVDD - 250 мВ. Когда каскад усиления включен, выходной сигнал из буфера поступает на вход усилителя с программируемым коэффициентом усиления, а диапазон аналоговых входных сигналов должен быть ограничен на уровне ±(AVDD – 1,25 В)/усиление, потому что для усилителя с программируемым коэффициентом усиления требуется дополнительный запас по напряжению. Следовательно, с учетом источника опорного напряжения 4,096 В и источника питания 5 В, а также максимального использования динамического диапазона АЦП, сигнал может быть ослаблен или усилен, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Конфигурации для настройки усиления AD8475 и встроенного в AD7192 усилителя с программируемым коэффициентом при различных диапазонах входного сигнала
Диапазон входного сигнала (VSxA − VSxB) Коэффициент усиления AD8475 Коэффициент усиления AD7192 Диапазон выходного сигнала усилителя с программируемым коэффициентом, биполярный режим (В)
±10 В 0.4 1 ±4
±5 В 0.8 1 ±4
±1 В 0.4 8 ±3.2
±500 мВ 0.8 8 ±3.2
±250 мВ 0.8 16 ±3.2
± 125 мВ 0.8 32 ±3.2
±62.5 мВ 0.8 64 ±3.2
±31.25 мВ
0.8 128 ±3.2


Дифференциальный ослабляющий усилитель

Для работы с АЦП, имеющими низковольтные входы, сигналы ±10 В или ±5 В необходимо ослабить и сдвинуть по уровню. Конфигурация разностного (дифференциального) усилителя в сочетании с прецизионными резисторами неизбежно приведет к снижению коэффициента ослабления синфазного сигнала из-за не полного соответствия параметров между резисторами. В усилителе AD8475, обеспечивающем ослабление сигнала и сдвиг уровней, имеются полностью согласованные, подогнанные лазером, прецизионные резисторы, которые обеспечивают малую ошибку усиления, низкий уровень смещения усиления (максимум 3 ppm/°C) и высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Коэффициент усиления AD8475 выбирается с помощью специального вывода и может составлять 0,4 или 0,8. С помощью вывода VOCM можно регулировать синфазное выходное напряжение для обеспечения прецизионного сдвига уровней, чтобы выходной сигнал соответствовал входному диапазону АЦП, и чтобы динамический диапазон был максимальным. Этот вывод можно оставить «висеть в воздухе», а в микросхеме он подключен к внутреннему прецизионному делителю напряжения, состоящему из двух резисторов сопротивлением 200 МОм между питанием и землей, благодаря чему на этом выводе обеспечивается напряжение, составляющее половину от напряжения питания.

Однополюсный дифференциальный RC-фильтр, состоящий из двух резисторов сопротивлением 100 Ом и конденсатора емкостью 1 мкФ, выполняет функцию антиалайзингового фильтра с возможностью шумоподавления для AD7192 и имеет частоту среза 800 Гц. Два конденсатора 10 нФ обеспечивают фильтрацию синфазного сигнала с частотой среза 160 кГц.


Фильтр, частота генерации выходных данных и время установления

Сигма-дельта АЦП AD7192 состоит из модулятора и последующего цифрового фильтра. Частота генерации выходных данных (fADC) и время установления (tSETTLE) зависят от конфигурации фильтра и конфигурации механизма стабилизации прерыванием (чоппера). В таблице 2 представлены частоты генерации выходных данных и рассчитанные показатели времени установления для разных конфигураций.

Таблица 2. Частота генерации выходных данных и время установления для разных конфигураций
Состояние чоппера фильтра SINC3 SINC4
Отключен fADC = fCLK/(1024 × FS[9:0])
tSETTLE = 3/fADC
fADC = fCLK/(1024 × FS[9:0])
tSETTLE = 4/fADC
Включен fADC = fCLK/(3 × 1024 × FS[9:0])
tSETTLE = 2/fADC
fADC = fCLK/(4 × 1024 × FS[9:0])
tSETTLE = 2/fADC


Советы по маршрутизации печатной платы

Рабочие характеристики этой или любой другой схемы с высокой скоростью преобразования данных или схемы с высоким разрешением в значительной степени зависят от правильной маршрутизации печатной платы. К этому относится, помимо прочего, развязка шин источника питания, маршрутизация сигнальных линий и организация слоев питания и заземления. Для получения более подробной информации о маршрутизации печатной платы ознакомьтесь с руководством MT-031, руководством MT-101 и статьей «Практическое руководство по маршрутизации печатной платы системы с высокой скоростью преобразования данных».


Рабочие характеристики системы

24-разрядный сигма-дельта АЦП AD7192 обеспечивает высокие рабочие характеристики этой схемы. Для получения более подробной информации о сигма-дельта АЦП ознакомьтесь с руководством MT-022 и руководством MT-023.

При отключенном механизме стабилизации прерыванием, частоте генерации выходных данных 4,7 Гц, коэффициенте усиления 1 и включенном фильтре SINC4 были получены шумовые характеристики, график которых представлен на рисунке 2, а на рисунке 3 показана гистограмма распределения шума в рамках 500 выборок. Измеренный шум в размахе для этой схемы составляет приблизительно 3,9 мкВ (рисунок 2), а среднеквадратическое значение шума равно 860 нВ. Это соответствует разрешению в размахе (разрешение без учета шума) в 20 бит и среднеквадратическому разрешению в 23 бита. В таблице 3 показаны среднеквадратические значения шума для ряда скоростей генерации данных и коэффициентов усиления AD7192 с отключенным механизмом стабилизации прерыванием и включенным фильтром SINC4.

Рисунок 2. Шум выходного сигнала (VREF = 4,096 В, AVDD = 5 В, частота выходных данных = 4,7 Гц)
Рисунок 2. Шум выходного сигнала (VREF = 4,096 В, AVDD = 5 В, частота выходных данных = 4,7 Гц)


Рис. 3. Гистограмма распределения шума
Рис. 3. Гистограмма распределения шума (VREF = 4,096 В, AVDD = 5 В, частота выходных данных = 4,7 Гц, коэффициент усиления = 1, механизм стабилизации прерыванием отключен, фильтр SINC4 активен)


Таблица 3. Среднеквадратическое разрешение системы при различных скоростях генерации выходных данных и коэффициентах усиления AD7192 с отключенным механизмом стабилизации прерыванием и включенным фильтром SINC4 (вычтите 2,7 бита, чтобы получить разрешение в размахе или разрешение без шума)
Слово фильтра (десятичное) Частота генерации выходных данных (Гц) Время установления (мс) Коэффициент усиления 1 Коэффициент усиления 8 Коэффициент усиления 16 Коэффициент усиления 32 Коэффициент усиления 64 Коэффициент усиления 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 20.0 19.5 18.5 17.2
96 50 80 22.3 20.9 19.8 19.3 18.2 17.0
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 18.0 17.2 16.2
1 4800 0.83 19.2 19.0 18.4 17.6 16.6
15.8

Основные варианты исполнения

Вместо AD7192 можно использовать другие 24-разрядные (или с меньшим разрешением) сигма-дельта АЦП со встроенными усилителями с программируемым коэффициентом усиления, такие как AD7190, AD7193, AD7797 и AD7799. Если ослабление входного сигнала не требуется, вместо AD8475 можно использовать  AD8476, характеризующийся меньшим энергопотреблением.

В системах, в которых нет необходимости в ослаблении сигнала и высоком входном импедансе, AD7192 можно подключить непосредственно к датчику, чтобы не допустить появления шума, вносимого цепями согласования аналогового входного интерфейса. Например, для работы с тензодатчиком с малым диапазоном выходного напряжения не требуется ослабление сигнала, и такой датчик может быть подключен непосредственно к дифференциальным входам AD7192 (ознакомьтесь CN-0102, CN-0107, CN-0108, CN-0118, CN-0119 и CN-0155).

Оценка параметров и тестирование схемы

В испытательной установке, предназначенной для проверки работы схемы, используются оценочная плата EVAL-CN0251-SDPZ и оценочная плата системной демонстрационной платформы (EVAL-SDP-CB1Z). Обе платы имеют 120-контактные ответные разъемы, что позволяет быстро собрать установку и оценить рабочие характеристики схемы. Плата EVAL-CN0251-SDPZ содержит оцениваемую схему, которая описана в данном указании по схемотехническому проектированию, а плата SDP используется с оценочным программным обеспечением CN-0251 для сбора данных, получаемых от EVAL-CN0251-SDPZ. Плата SDP также используется для управления входным мультиплексором и различными функциями АЦП AD7192.


Необходимое оборудование

Для оценки работы схемы требуется следующее оборудование:

  • ПК с портом USB и Windows XP или Windows Vista (32-разрядная версия) или Windows 7 (32-разрядная версия)
  • Оценочная плата EVAL-CN0251-SDPZ
  • Оценочная плата EVAL-SDP-CB1Z SDP
  • Источник напряжения постоянного тока со следующими уровнями напряжения: +15 В, -15 В и +6 В
  • Оценочное программное обеспечение CN-0251;


Начало работы

Загрузите оценочное программное обеспечение, вставив компакт-диск с оценочным программным обеспечением CN-0251 в дисковод ПК. Затем найдите диск, содержащий данные компакт-диска с оценочным программным обеспечением, и откройте файл Readme. Следуйте содержащимся в файле Readme инструкциям по установке и использованию оценочного программного обеспечения.


Функциональная блок-схема

На рисунке 4 показана функциональная блок-схема испытательной установки. В файле EVAL-CN0251-SDPZ-SCH.pdf содержатся подробные схемы платы EVAL-CN0251-SDPZ. Этот файл имеется в пакете поддержки проектирования CN-0251, который можно найти по адресу: www.analog.com/CN0251-DesignSupport.

Рисунок 4. Функциональная блок-схема испытательной установки
Рисунок 4. Функциональная блок-схема испытательной установки


Настройка

Подключите 120-контактный разъем на плате EVAL-CN0251-SDPZ к разъему CONA на плате EVAL-SDP-CB1Z (SDP). Используйте нейлоновые крепления, чтобы надежно закрепить две платы через отверстия на концах 120-контактных разъемов. После успешной настройки источника напряжения постоянного тока с выходными напряжениями +15 В, -15 В и +6 В выключите этот источник питания.

При отключенном питании подключите шину питания +15 В к выводу +15VA разъема J3, шину питания -15 В к выводу -15VA разъема J3 и линию заземления GND к выводу AGND разъема J3. Также при отключенном питании подключите шину питания 6 В к разъему J2. Включите источник питания, а затем подключите USB-кабель к плате SDP с одной стороны и к USB-порту ПК с другой. Не подключайте USB-кабель к разъему mini-USB на плате SDP до включения источника питания для питания EVAL-CN0251-SDPZ.


Испытания

После настройки источника питания и подключения к плате EVAL-CN0251-SDPZ запустите оценочное программное обеспечение и подключите USB-кабель от ПК к разъему mini-USB на плате SDP. Программное обеспечение сможет обмениваться данными с платой SDP, если драйвер платформы Analog Devices System Development Platform будет указан в диспетчере устройств.

После установления USB-соединения плату SDP можно использовать для отправки и получения последовательно передаваемых данных от платы EVAL-CN0251-SDPZ. Для проведения измерений подключите источник сигнала.

Информацию о плате SDP можно найти на странице, посвященной системной демонстрационной платформе (SDP).

Образцы

Оценочные платы

Цена указана за одну единицу.

Через сайт Analog.com можно приобрести не более двух оценочных плат. Чтобы заказать более двух оценочных плат, пожалуйста, совершайте покупку через наших дистрибьюторов.

Цены указаны за одну штуку, в долларах США, на условиях ФОБ. Являются рекомендованными розничными ценами в США, приведены только для примерного расчета и могут меняться. Международные цены могут отличаться на величину местных пошлин, налогов, сборов и курсов валют.