完整的5V單電源8通道多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

時(shí)間：2013-02-20 10:22:21

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[導(dǎo)讀]連接/參考器件　　ADAS3022 16位、1 MSPS、8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)　　ADP1613 650 kHz/1.3 MHz升壓PWM DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器　　AD8031/ AD8032 2.7 V、每放大器800 μA、80 MHz、

連接/參考器件

　　ADAS3022 16位、1 MSPS、8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　ADP1613 650 kHz/1.3 MHz升壓PWM DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器

　　AD8031/ AD8032 2.7 V、每放大器800 μA、80 MHz、單路/雙路、軌到軌I/O放大器

　　ADR434 超低噪聲XFET基準(zhǔn)電壓源，具有吸電流和源電流能力

　　評估和設(shè)計(jì)支持

　　電路評估板

　　ADAS電路評估板（EVAL-ADAS3022EDZ）

　　ADP1613 不包括評估板

　　轉(zhuǎn)換器評估與開發(fā)板（EVAL-CED1Z）設(shè)計(jì)和集成文件

　　原理圖、布局文件、物料清單

　　電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是一款高度集成、16位、1 MSPS、多路復(fù)用、8通道、靈活的數(shù)字采集系統(tǒng)（DAS），集成可編程增益儀表放大器（PGIA），能夠處理全范圍工業(yè)級信號。

　　圖1. 完整的5 V、單電源、8通道數(shù)據(jù)采集解決方案，集成PGIA（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

　　+5 V單電源為電路供電，高效率、低紋波升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生±15 V電壓，可處理最高±24.576 V的差分輸入信號（±2 LSB INL最大值、±0.5 LSB DNL典型值）。對于高精度應(yīng)用，這款緊湊、經(jīng)濟(jì)型電路可以提供高精度和低噪聲性能。

　　基于逐次逼近寄存器（SAR）的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成真正的高阻抗差分輸入緩沖器，因此無需額外緩沖；緩沖通常用來減少基于容性數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）產(chǎn)生的反沖。此外，該電路具有高共模抑制，無需外部儀表放大器；而通常存在共模信號的應(yīng)用中需要用到儀表放大器。

　　ADAS3022是完整的16位、1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成如下器件：一個(gè)8通道、低泄漏多路復(fù)用器；一個(gè)具有高共模抑制的可編程增益儀表放大器級；一個(gè)精密低漂移4.096 V基準(zhǔn)電壓源；一個(gè)基準(zhǔn)電壓緩沖器；以及一個(gè)高性能、無延遲、16位SAR ADC.ADAS3022在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)降低功耗，因此，工作電流和功耗與吞吐率成線性比例關(guān)系，使其成為低采樣速率電池供電應(yīng)用的理想選擇。

　　ADAS3022集成8路輸入和1路COM輸入；該COM輸入可配置為8路單端通道、參考同一基準(zhǔn)電壓的8路通道、4路差分通道或單端和差分通道的不同組合。

　　圖1所示電路中，經(jīng)AD8031運(yùn)算放大器緩沖后的ADR434低噪聲基準(zhǔn)電壓源提供參考電壓。AD8031能夠以快速恢復(fù)的方式驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)負(fù)載，因此非常適合用作參考緩沖器。

　　ADP1613是一款DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，集成電源開關(guān)，為ADAS3022提供片內(nèi)輸入多路復(fù)用器所需的±15 V高壓電源，以及不影響ADAS3022性能的可編程增益儀表放大器。

　　本電路采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的組合，可同時(shí)提供高精度和低噪聲性能。

　　電路描述

　　ADAS3022是首款單芯片上完整的DAS,能夠以最高1 MSPS的速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并接受最高±24.576 V的差分模擬輸入信號。該器件需使用高壓雙極性電源：±15 V（VDDH和VSSH）、+5 V（AVDD和DVDD）、以及+1.8 V至+5 V （VIO）。

　　ADAS3022無需使用標(biāo)準(zhǔn)解決方案中的信號緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、噪聲抑制以及其它模擬信號調(diào)理，簡化了精密16位、1 MSPS DAS的設(shè)計(jì)難題。此外，ADAS3022以更高的數(shù)據(jù)速率、更小的尺寸、更快的產(chǎn)品上市時(shí)間、以及更低的價(jià)格，提供更佳的時(shí)序和噪聲性能。

　　ADAS3022內(nèi)部集成PGIA,可設(shè)置增益為0.16、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2和6.4,并且它能夠處理的全差分輸入范圍分別為±24.576 V、±20.48 V、±10.24 V、±5.12 V、±2.56 V、±1.28 V和±0.64 V.輸入范圍參考內(nèi)部4.096 V基準(zhǔn)電壓源。

　　對于COM引腳上的輸入電壓而言，它可測量偽差分、單極性和雙極性的輸入范圍。

　　圖1所示電路中，外部基準(zhǔn)電壓由4.096 V ADR434提供。ADR434具有高精度、低功耗（工作電流為800 μA）、低噪聲、±0.12%最大初始誤差以及出色的溫度穩(wěn)定性等特性。無論在具有高帶寬要求的電池供電系統(tǒng)中，還是元件密度高且要求較低功耗的高速系統(tǒng)中，用于緩沖外部基準(zhǔn)電壓的AD8032低功耗運(yùn)算放大器都是理想的選擇。

　　ADAS3022數(shù)字接口由異步輸入（CNV、RESET、PD和BUSY）以及兼容SPI、FPGA或DSP用于回讀轉(zhuǎn)換結(jié)果回讀和編程配置寄存器的4線式串行接口（CS、SDO、SCK和DIN）組成。[!--empirenews.page--]

ADP1613電源設(shè)計(jì)

　　ADP1613用作單端初級原邊電感（SEPIC） Cuk轉(zhuǎn)換器，是ADAS3022在外部5 V電源供電情況下，為其提供20 mA時(shí)所需±15 V高壓電源以及最大值為3 mV的低輸出紋波的理想選擇。本應(yīng)用中，ADP1613的開關(guān)頻率為1.3 MHz.如圖2所示，ADP1613盡可能地減少了外部元器件數(shù)目，并且具有超過86%的效率，因此它能滿足ADAS3022的規(guī)格要求。在該拓?fù)渲惺褂玫统杀続DP1613的最大優(yōu)勢，是它在兩條供電軌之間的出色跟蹤能力，同時(shí)使用現(xiàn)成的耦合電感可產(chǎn)生±15 V電壓。除此之外，還能通過ADIsimPower設(shè)計(jì)工具輕松快捷地完成設(shè)計(jì)制造。

　　圖2. ADP1613的功效（POUT/PIN）與輸出電流（IOUT）的關(guān)系

　　圖1所示電路采用ADP161x SEPIC-Cuk可下載設(shè)計(jì)工具中的下列輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，ADIsimPower提供該設(shè)計(jì)工具：

　　VINMIN = 4.75 V

　　VINMAX = 4.99 V

　　VOUT = 15 V

　　VRIPPLE = 0.02%

　　Ambient temperature = 55°C

　　環(huán)境溫度 = 55°C

　　Optimized for lowest cost

　　針對最低成本優(yōu)化

　　External filter option

　　外部濾波器選項(xiàng)

　　注意，ADP1613的SW引腳上的最大電壓為：VIN + VOUT = 20 V,低于其21 V的絕對最大電壓規(guī)格。針對大于等于5 V的輸入電壓，設(shè)計(jì)工具建議使用由SW引腳驅(qū)動(dòng)的串接N溝道MOSFET.由于具有1 V的安全裕量，對于最高5.25 V輸入、15 V輸出而言，該電路無需使用FET.因此，設(shè)計(jì)工具中所用輸入電壓設(shè)為4.99 V.可在CN0201-設(shè)計(jì)支持包中找到ADP1613 SEPIC-Cuk轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)結(jié)果。

　　動(dòng)態(tài)性能

　　圖3表示存在交流輸入信號的情況下，ADAS3022的典型動(dòng)態(tài)性能。試驗(yàn)中，分別采用線性±15 V臺(tái)式電源和ADP1613評估板的±15 V輸出驅(qū)動(dòng)ADAS3022,未觀察到有交流或直流性能的差異。

　　常見變化

　　其它外部4.096 V基準(zhǔn)電壓源可與ADAS3022一同使用，如ADR444和ADR4540.若需要，可使用AD8031或AD8605運(yùn)算放大器作為外部基準(zhǔn)電壓緩沖器。

　　應(yīng)參考ADAS3022數(shù)據(jù)手冊，獲取有關(guān)內(nèi)部或外部基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電壓緩沖器的更多使用建議。

　　ADP1612/ ADP1613/ ADP1614是升壓、DC-DC轉(zhuǎn)換器，集成電源開關(guān)，可提供最高20 V的輸出電壓。當(dāng)ADP1613用作SEPIC-Cuk轉(zhuǎn)換器時(shí)，其電流輸出能力最高為60 mA.ADP1614提供最高120 mA的電源。利用ADIsimPower設(shè)計(jì)工具可進(jìn)行完全定制設(shè)計(jì)，并通過單個(gè)控制器的低成本SEPIC-Cuk拓?fù)淇焖賱?chuàng)建穩(wěn)定的雙路供電軌。

　　電路評估與測試

　　該電路使用ADI的ADP1613評估板、EVAL-ADAS3022EDZ評估板以及EVAL-CED1Z轉(zhuǎn)換器評估和開發(fā)板測試，連接方式見圖4.7 V壁式電源連接至EVAL-CED1Z,外部5 V電源連接至ADP1613評估板。

　　EVAL-ADAS3022EDZ是一款用戶評估板，用以簡化16位ADAS3022完整DAS的獨(dú)立性能和功能測試。ADP1613評估板通過ADP161x SEPIC-Cuk可下載設(shè)計(jì)工具搭建，ADIsimPower提供該工具。

　　圖3. 使用EVAL-CED1Z評估板和軟件的ADAS3022 FFT輸出

[!--empirenews.page--]EVAL-CED1Z板是一種使用ADI精密轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)評估、演示和開發(fā)平臺(tái)。它提供轉(zhuǎn)換器和PC之間所需的通信，編程或控制器件，通過USB線收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　設(shè)備要求

　　需要使用以下設(shè)備：

　　ADAS電路評估板和軟件（EVAL-ADAS3022EDZ）

　　轉(zhuǎn)換器評估和開發(fā)板（EVAL-CED1Z）

　　ADIsimPower提供的ADP1613評估板

　　Audio Precision SYS-2702

　　PC/筆記本電腦（Windows 32位或64位）

　　USB接口電纜（1）和AP電纜（1）

　　7V/2 A直流壁式電源，為EVAL-CED1Z板供電

　　5 V/100 mA直流電源，為ADP1613評估板供電。

　　功能框圖

　　測試設(shè)置的功能框圖如圖4所示。ADP1613評估板由外部+5 V電源驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生ADAS3022板所需的±15 V電壓。7 V直流壁式電源為EVAL-CED1Z板供電。EVAL-CED1Z板上的穩(wěn)壓器提供ADAS3022板所需的5 V電源。運(yùn)行交流測試時(shí)，采用Audio Precision SYS-2702產(chǎn)生低失真輸入信號。

　　軟件安裝

　　ADAS3022評估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP和Windows 7（32位和64位）。如果安裝文件未自動(dòng)運(yùn)行，可以運(yùn)行光盤中的setup.exe文件。

　　若要安裝軟件，執(zhí)行下列步驟：

　　請先安裝評估軟件，再將ADAS3022評估板和EVAL-CED1Z板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識(shí)別評估系統(tǒng)。

　　光盤文件安裝完畢后，將EVAL-CED1Z板連接到ADAS3022評估板，然后按照UG-484的“電源”部分所述為EVAL-CED1Z接通電源，然后利用附送的電纜連接到PC的USB端口。

　　檢測到評估系統(tǒng)后，確認(rèn)出現(xiàn)的所有對話框。這樣就完成了安裝。

　　如前文圖3中所示，該軟件可采集并處理FFT數(shù)據(jù)。請參考UG-484用戶指南，獲取有關(guān)EVAL-ADAS3022EDZ測試設(shè)置的完整信息。

　　欲詳細(xì)了解參數(shù)定義以及如何計(jì)算信噪比（SNR）、總諧波失真（THD）和信納比（SINAD），請參閱ADAS3022數(shù)據(jù)手冊中的“術(shù)語”部分和以下文獻(xiàn)：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手冊第5章“測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器”,ADI公司。

圖4. 測試設(shè)置功能框圖