針對(duì)工業(yè)過程控制和自動(dòng)化的高阻抗、高CMR、±10 V模擬前端信號(hào)調(diào)理

電路功能與優(yōu)勢(shì)圖1所示電路是一個(gè)完整的模擬前端，它利用一個(gè)16位差分輸入PulSAR ADC對(duì)±10 V工業(yè)級(jí)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。該電路僅利用兩個(gè)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(zhuǎn)換、衰減和差分轉(zhuǎn)換功能。由于具有高集成度，該電路可節(jié)省印刷電路板空間，為常見的工業(yè)應(yīng)用提供高性價(jià)比解決方案。在過程控制和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，典型的信號(hào)電平最高可達(dá)±10 V。而來自熱電偶和稱重傳感器等傳感器的信號(hào)輸入則較小，因此常常會(huì)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(hào)，同時(shí)具有高阻抗輸入。圖1. 適合工業(yè)過程控制應(yīng)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(xiàn)代低壓ADC處理工業(yè)級(jí)信號(hào)時(shí)，必須進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換。此外，全差分輸入ADC具有以下優(yōu)勢(shì)：良好的共模抑制性能，更少的二階失真產(chǎn)物，以及簡(jiǎn)化的直流調(diào)整算法。因此，工業(yè)信號(hào)需要經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)理才能與差分輸入ADC正確接口。圖1所示電路是一個(gè)完整且具有高集成度的模擬前端工業(yè)級(jí)信號(hào)調(diào)理器，僅使用兩個(gè)有源器件來驅(qū)動(dòng)差分輸入16位PulSAR ADCAD7687：精密儀表放大器（片內(nèi)集成兩個(gè)輔助運(yùn)算放大器）AD8295precision in-amp (with two on-chip auxiliary op amps) 和電平轉(zhuǎn)換器/ADC驅(qū)動(dòng)器AD8275。低噪聲2.5V XFET®基準(zhǔn)電壓源ADR431為ADC提供基準(zhǔn)電壓。AD8295是一款精密儀表放大器，片內(nèi)集成兩個(gè)非專用信號(hào)處理放大器和兩個(gè)精密匹配的20 kΩ電阻，采用4 mm × 4 mm封裝。AD8275是一款G = 0.2差動(dòng)放大器，可以用來衰減±10 V工業(yè)信號(hào)，衰減后的信號(hào)可以與單電源低壓ADC輕松接口。AD8275在該電路中執(zhí)行衰減和電平轉(zhuǎn)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，采用2.3 V至5.5 V的單電源供電。它采用差分輸入，具有良好的CMR，并且能夠簡(jiǎn)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(zhǔn)電壓源ADR431組成，只需少量外部元件進(jìn)行去耦等。儀表放大器（集成于AD8295）AD8295中集成的儀表放大器(IA)的工作條件設(shè)置為1倍的增益。如果應(yīng)用需要更高的增益，可以增加一個(gè)適當(dāng)?shù)耐獠吭鲆骐娮?。AD8295的電源為±15 V，完全支持±10 V工業(yè)輸入信號(hào)電平。儀表放大器的基準(zhǔn)電壓引腳接地，因此AD8295的輸出以地為基準(zhǔn)。差動(dòng)放大器/衰減器(AD8275)AD8295儀表放大器輸出單端信號(hào)，最大幅度為±10 V。必須將該信號(hào)衰減并轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)碾娖剑员泸?qū)動(dòng)AD7687 ADC。如果在AD8295的輸出端直接使用一個(gè)簡(jiǎn)單的阻性電平衰減器級(jí)，將無法提供差分輸出來驅(qū)動(dòng)ADC。AD8275 (G = 0.2)電平轉(zhuǎn)換器是一個(gè)差動(dòng)放大器，內(nèi)置精密激光調(diào)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的寬電源電壓范圍，采用+5 V單電源供電時(shí)，輸入電壓范圍寬達(dá)−12.3 V至+12 V。圖1所示電路使用一個(gè)平衡差動(dòng)放大器，它由AD8275 (U2)和AD8295中的一個(gè)非專用運(yùn)放(U1-C)組成。此運(yùn)放(U1-C)用于反轉(zhuǎn)AD8275的正輸出（從而提供互補(bǔ)的負(fù)輸出），并且驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)電壓源的10 kΩ外部電阻分壓器產(chǎn)生，并且應(yīng)用于U1-C的同相輸入。描述電路操作的方程式如下：VOUTP + VOUTN = 2 × VCOMVOUTP = VOUTN + 0.2 × VIN VOUTP = VCOM + 0.1 × VINVOUTN = VCOM − 0.1 × VIN根據(jù)以上方程式，對(duì)于±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(hào)使用ADC可用差分輸入范圍5 V中的4 V。ADR431是2.5 V XFET系列基準(zhǔn)電壓源，具有低噪聲、高精度和低溫度漂移性能。ADR431驅(qū)動(dòng)電阻分壓器和AD7687 ADC的基準(zhǔn)電壓輸入。ADR431輸出由AD8295中的另一個(gè)非專用運(yùn)放(U1-B)緩沖，并且驅(qū)動(dòng)AD7687的電源(VDD)。由兩個(gè)33 Ω電阻和一個(gè)1.5 nF電容組成的一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器充當(dāng)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/高分辨率電路的性能都高度依賴于適當(dāng)?shù)腜CB布局，包括但不限于電源旁路、信號(hào)路由以及適當(dāng)?shù)碾娫磳雍徒拥貙?。有關(guān)PCB布局的詳情，請(qǐng)參見指南Tutorial MT-031、MT-101和“高速印刷電路板布局實(shí)用指南”一文。圖2. Kaiser窗口（參數(shù) = 20）、20 kHz輸入、250 kSPS采樣速率下的FFT系統(tǒng)性能交流性能在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行測(cè)試，AD7687的采樣速率為250 kSPS。圖2所示為5 V p-p 20 kHz輸入時(shí)的FFT測(cè)試結(jié)果。圖3所示為10 V DC輸入時(shí)的ADC輸出直方圖。評(píng)估軟件產(chǎn)生的結(jié)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(shí)的直方圖，15,000個(gè)樣本常見變化PulSAR系列的其它引腳兼容差分輸入16位ADC提供不同的采樣速率：AD7684(100 kSPS)、AD7688(500 kSPS)和AD7693(500 kSPS)。如果需要18位分辨率，下列器件也是PulSAR系列的引腳兼容產(chǎn)品：AD7691(250 kSPS)、AD7690(400 kSPS)和AD7982(1 MSPS)。ADC的基準(zhǔn)電壓源可以換用2.048 VADR430，它支持使用ADC更大比例的輸入范圍，不過AD7687將需要額外的AVDD電源。電路評(píng)估與測(cè)試本電路使用EVAL-CN0225-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。這兩片板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。EVAL-CN0225-SDPZ板包含要評(píng)估的電路，如本筆記所述。SDP評(píng)估板與CN0225評(píng)估軟件一起使用，可從EVAL-CN0225-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。設(shè)備要求帶USB端口的Windows XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PCEVAL-CN0225-SDPZ電路評(píng)估板EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板直流電源：+15 V、–15 V和+6 V低失真單端或差分信號(hào)源，如Agilent 81150A或Audio Precision System Two 2322等開始使用將CN0225評(píng)估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評(píng)估軟件。功能框圖圖4所示為測(cè)試設(shè)置的功能框圖。PDF文件“EVAL-CN0225-SDPZ-SCH”包含CN0225評(píng)估板的詳細(xì)原理圖。此文件位于CN0225設(shè)計(jì)支持包中：CN0225-DesignSupport.rar。圖4. 測(cè)試設(shè)置功能框圖設(shè)置EVAL-CN0225-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評(píng)估板上標(biāo)有“CONA”的連接器。應(yīng)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(shè)置為+15 V、-15 V和+6 V輸出后，關(guān)閉電源。在斷電情況下，將一個(gè)+15 V電源連接到標(biāo)有“+15 VA”的J3引腳，將一個(gè)−15 V電源連接到標(biāo)有“−15 VA”的J3引腳，將“GND”連接到標(biāo)有“AGND”的J3引腳。以同樣方式將+6 V連接到J2。接通電源，然后將SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：接通EVAL-CN0225-SDPZ的直流電源之前，請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。測(cè)試設(shè)置好電源并將它連接到EVAL-CN0225-SDPZ電路板后，啟動(dòng)評(píng)估軟件，并通過USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器。如果設(shè)備管理器中列出了Analog Devices System Development Platform驅(qū)動(dòng)器，軟件將能與SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0225-SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。本電路筆記中的數(shù)據(jù)利用Agilent 81150A差分信號(hào)源產(chǎn)生。

立即加入模擬與電源技術(shù)社區(qū)