ADI實驗室電路:高阻抗、高CMR、±10V模擬前端信號調理

ADI實驗室電路:高阻抗、高CMR、±10V模擬前端信號調理

灰色天空 發表於 2013-01-09 09:53:34

電路功能與優勢

圖1所示電路是一個完整的模擬前端，它利用一個16位差分輸入PulSAR® ADC對±10 V工業級信號進行數字轉換。該電路僅利用兩個模擬器件，來提供一路具有高共模抑制（CMR）性能的高阻抗儀表放大器輸入、電平轉換、衰減和差分轉換功能。由於具有高集成度，該電路可節省印刷電路板空間，為常見的工業應用提供高性價比解決方案。

在過程控制和工業自動化系統中，典型的信號電平最高可達±10 V。而來自熱電偶和稱重傳感器等傳感器的信號輸入則較小，因此常常會遇到大共模電壓擺幅，這就需要靈活的模擬輸入，它能以高共模抑制性能處理大小差分信號，同時具有高阻抗輸入。

圖1. 適合工業過程控制應用的高性能模擬前端（原理示意圖：所有連接和去耦均未顯示）

用現代低壓ADC處理工業級信號時，必須進行衰減和電平轉換。此外，全差分輸入ADC具有以下優勢：良好的共模抑制性能，更少的二階失真產物，以及簡化的直流調整算法。因此，工業信號需要經過進一步調理才能與差分輸入ADC正確接口。

圖1所示電路是一個完整且具有高集成度的模擬前端工業級信號調理器，僅使用兩個有源器件來驅動差分輸入16位PulSAR ADC AD7687 ：精密儀表放大器（片內集成兩個輔助運算放大器） AD8295 precision in-amp （with two on-chip auxiliary op amps） 和電平轉換器/ADC驅動器AD8275 。低噪聲2.5V XFET®基準電壓源 ADR431 為ADC提供基準電壓。

AD8295是一款精密儀表放大器，片內集成兩個非專用信號處理放大器和兩個精密匹配的20 kΩ電阻，採用4 mm × 4 mm封裝。

AD8275是一款G = 0.2差動放大器，可以用來衰減±10 V工業信號，衰減後的信號可以與單電源低壓ADC輕鬆接口。AD8275在該電路中執行衰減和電平轉換功能，可以保持良好的CMR，無需任何外部元件。

AD7687是一款16位逐次逼近型ADC，採用2.3 V至5.5 V的單電源供電。它採用差分輸入，具有良好的CMR，並且能夠簡化SAR ADC的使用。

電路描述

該電路由用作模擬前端電路的AD8295和AD8275、ADC AD7687以及基準電壓源ADR431組成，只需少量外部元件進行去耦等。

儀表放大器（集成於 AD8295）

AD8295中集成的儀表放大器（IA）的工作條件設置為1倍的增益。如果應用需要更高的增益，可以增加一個適當的外部增益電阻。AD8295的電源為±15 V，完全支持±10 V工業輸入信號電平。儀表放大器的基準電壓引腳接地，因此AD8295的輸出以地為基準。

差動放大器/衰減器（ AD8275）

AD8295儀表放大器輸出單端信號，最大幅度為±10 V。必須將該信號衰減並轉換到適當的電平，以便驅動AD7687 ADC。如果在AD8295的輸出端直接使用一個簡單的阻性電平衰減器級，將無法提供差分輸出來驅動ADC。AD8275 （G = 0.2）電平轉換器是一個差動放大器，內置精密雷射調整匹配薄膜電阻，可確保低增益誤差、低增益漂移（最大1 ppm/°C）和高共模抑制（80 dB）特性。AD8275具有+3.3 V至+15 V的寬電源電壓範圍，採用+5 V單電源供電時，輸入電壓範圍寬達−12.3 V至+12 V。

圖1所示電路使用一個平衡差動放大器，它由AD8275 （U2）和AD8295中的一個非專用運放（U1-C）組成。此運放（U1-C）用於反轉AD8275的正輸出（從而提供互補的負輸出），並且驅動AD8275的REF1和REF2引腳。差分輸出的輸出共模電壓（VCOM = 1.25 V）由連接到2.5 V基準電壓源的10 kΩ外部電阻分壓器產生，並且應用於U1-C的同相輸入。描述電路操作的方程式如下：

VOUTP + VOUTN = 2 × VCOM

VOUTP = VOUTN + 0.2 × VIN

VOUTP = VCOM + 0.1 × VIN

VOUTN = VCOM − 0.1 × VIN

根據以上方程式，對於±10 V輸入電壓，ADC的各輸入電壓（VOPTP和VOUTN）擺幅為0.25 V至2.25 V，彼此180°反相，共模電壓為1.25 V。因此，差分信號使用ADC可用差分輸入範圍5 V中的4 V。

ADR431是2.5 V XFET系列基準電壓源，具有低噪聲、高精度和低溫度漂移性能。ADR431驅動電阻分壓器和AD7687 ADC的基準電壓輸入。ADR431輸出由AD8295中的另一個非專用運放（U1-B）緩衝，並且驅動AD7687的電源（VDD）。由兩個33 Ω電阻和一個1.5 nF電容組成的一個單極點RC濾波器充當AD7687的3 MHz截止抗混疊和降噪濾波器。

布局布線考慮

該電路或任何高速/高解析度電路的性能都高度依賴於適當的PCB布局，包括但不限於電源旁路、信號路由以及適當的電源層和接地層。

圖2. Kaiser窗口（參數 = 20）、20 kHz輸入、250 kSPS採樣速率下的FFT

系統性能

交流性能在系統級進行測試，AD7687的採樣速率為250 kSPS。圖2所示為5 V p-p 20 kHz輸入時的FFT測試結果。圖3所示為10 V DC輸入時的ADC輸出直方圖。

評估軟體產生的結果如下：

SNR = 85.531 dBFS （不含諧波）

信納比（SINAD） = 81.432 dBFS.

SFDR = 77.403 dBFS.

THD = –76.479 dBFS

圖3. 10 V DC輸入時的直方圖，15，000個樣本

常見變化

PulSAR系列的其它引腳兼容差分輸入16位ADC提供不同的採樣速率： AD7684 （100 kSPS）、 AD7688 （500 kSPS）和AD7693 （500 kSPS）。

如果需要18位解析度，下列器件也是PulSAR系列的引腳兼容產品：AD7691 （250 kSPS）、 AD7690 （400 kSPS）和AD7982（1 MSPS）。

ADC的基準電壓源可以換用2.048 V ADR430，它支持使用ADC更大比例的輸入範圍，不過 AD7687將需要額外的AVDD電源。

電路評估與測試

本電路使用EVAL-CN0225-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺（SDP）評估板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設置並評估電路性能。EVAL-CN0225-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN0225評估軟體一起使用，可從EVAL-CN0225-SDPZ電路板獲取數據。

設備要求

帶USB埠的Windows XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PC

EVAL-CN0225-SDPZ電路評估板

EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板

直流電源：+15 V、–15 V和+6 V

低失真單端或差分信號源，如Agilent 81150A或Audio Precision System Two 2322等

開始使用

將CN0225評估軟體光碟放進PC的光碟驅動器，加載評估軟體。找到包含評估軟體光碟的驅動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟體。

功能框圖

圖4所示為測試設置的功能框圖。PDF文件「EVAL-CN0225-SDPZ-SCH」包含CN0225評估板的詳細原理圖。

圖4. 測試設置功能框圖

設置

EVAL-CN0225-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z （SDP）評估板上標有「CONA」的連接器。應使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。將直流輸出電源成功設置為+15 V、-15 V和+6 V輸出後，關閉電源。

在斷電情況下，將一個+15 V電源連接到標有「+15 VA」的J3引腳，將一個−15 V電源連接到標有「−15 VA」的J3引腳，將「GND」連接到標有「AGND」的J3引腳。以同樣方式將+6 V連接到J2。接通電源，然後將SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB埠。注意：接通EVAL-CN0225-SDPZ的直流電源之前，請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。

測試

設置好電源並將它連接到EVAL-CN0225-SDPZ電路板後，啟動評估軟體，並通過USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器。如果設備管理器中列出了Analog Devices System Development Platform驅動器，軟體將能與SDP板通信。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發送、接收、捕捉來自EVAL-CN0225-SDPZ板的串行數據。

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