低成本16位 250 kSPS 8通道隔离数据采集系统_电工基础电路图讲解

电路图简介： 所示电路为16位和250位，性价比高，集成度高 kSPS、8通道数据采集系统±10 V数字化转换工业级信号。该电路还可在测量电路与主机控制器之间提供2500 V rms隔离，整个电路隔离PWM控制5 V单电源供电

电路功能及优点

图1所示的电路是16位和250位，性价比高，集成度高 kSPS、8通道数据采集系统±10 V数字化转换工业级信号。该电路还可在测量电路与主机控制器之间提供2500 V rms隔离，整个电路隔离PWM控制5 V单电源供电。

图1. 16位、250 KSPS、8通道数据采集系统(原理示意图:未显示所有连接和去耦)

电路描述

此电路配合 16位、8通道、250 kSPS PulSAR ADC AD7689 两个低成本精密四通道运算放大器 AD8608 在数据采集系统中提供所有信号调理和数字功能。此外，只需要AD用于缓冲AD基准电压7689。

AD8605 和AD8608分别是低成本单通道和四通道轨道的输入和输出CMOS放大器。AD8608可对±10 V为了匹配输入信号反转、电平转换和衰减ADC当使用时，输入范围 4.096 V基准电压源和 5 V单电源时，输入范围为0 V至 4.096 V。

AD8605用作外部基准电压缓冲器，为电平转换提供足够的驱动力。AD8605和AD8608具有极低的失调电压、低输入电压、电流噪声和宽信号带宽，适用于各种应用。AD电阻噪声是高输入阻抗输出噪声的主要因素。本电路中的输入阻抗(等于R1）为50 kΩ。

16位、8通道、250 kSPS PulSAR ADC AD内置多通道低功耗数据采集系统所需的所有元件7689。它包括16位SAR ADC、8通道低串扰多路复用器、低漂移基准电压源和缓冲器、温度传感器、可选单极点滤波器和通道序列器。无微控制器或FPGA控制通道开关。AD7689采用20引脚、4 mm &TImes; 4 mm LFCSP小尺寸包装，成本和印刷电路板（PCB）面积最小化。工作温度范围为−40°C至 85°C。5 V电源、250 kSPS时的功耗为12.5 mW(典型值)。

ADuM3471是四通道数字隔离器的集成PWM控制器和变压器驱动器驱动隔离DC/DC转换器。ADuM3471为电路提供5 V、2 W隔离电源，并在SPI接口隔离数字信号。

模拟前端设计

典型的信号电平最高可达过程控制和工业自动化系统±10 V。图1电路使用具有衰减和电平转换功能的反相放大器±10 V适适的信号转换ADC范围信号。

电路公式如下：

前端信号增益（−R2/R1）设置为−0.2，使得到达ADC信号范围为4 V峰值。这与0 V至4.096 V输入范围(等于基准电压VREF）相适合。

对于O V输入信号，操作放大器的输出应位于中间电平或0.5 VREF。

将公式1代入公式2，得到

通过以下公式计算操作放大器输入端的共模电压：

For R3/R4 = 1.4 且 VREF = 4.096 V计算放大器的共模电压为1.7 V。

每个AD8608年有四个放大器，四个同相输入短连接到电阻分压器R3/R4.第二个分压器用于第二个分压器AD8608.消除运算放大器输入偏置电流，

电路输入阻抗为R1.理想情况下应该更高。然而，电阻热噪声与电阻平方根成正比，因此随着电阻值的增加，系统的噪声性能下降。为了确定最佳值，需要简单分析噪声。

根据奈奎斯特的标准，最大信号频率成分应小于最大采样速率的一半。AD7689 250 kSPS采样速率为125 kHz奈奎斯特的频率。前端为了最大限度地减少带宽中的信号衰减−3 dB截止频率约为奈奎斯特频率的12倍或12倍.5 MHz。

该电路的噪声模型如图2所示。本电路有三个噪声源：电阻噪声、放大器电压噪声和放大器电流噪声。每个噪声源的平方根值如表1所示。关于放大器噪声的操作，请参见应用笔记 AN-358和教程 MT-047、 MT-048和 MT-049。

图2. AD8608反相配置的噪声模型

在目标带宽内，ADC之前的总均方根噪声应小于0.5 LSB，以便ADC正确的数字转换可以转换输入信号。

以下公式计算电阻噪声：

R单位为Ω。

使用图1所示的电阻值.5 MHz表1中总结了带宽的噪声性能。

这些不相关的噪声电压“方和根”所以1.5 MHz带宽内的总运算放大器输出均方根噪声约为21.3 μV。对于4.096 V基准电压，16位LSB为62.5 μV。21.3 μV均方根噪声小于0.5 LSB，因此，图1所示的电阻值适用于本应用。

请注意，总输出噪声的最大来源是电阻R2.本电路为10 kΩ。减小R2值需要R输入阻抗降低10%。

AD8608的输入电流噪声很小，除非电阻值很大，否则不会成为重要因素。AD8605和AD低输入电流噪声和输入偏置电流使其成为高阻抗传感器(如光电二极管)的理想放大器。

与R2并联地添加C1电容形成单极点、有源低通滤波器。带宽计算公式7。假设使用1.5 MHz、−3 dB带宽，C1约为10 pF。考虑到这个电路PCB选择8板的寄生效应.2 pF值。

模数转换器（ADC）

AD7689是一款现代SAR ADC，使用内部开关电容器DAC。由于采用SAR转换过程中无流水线延迟，大大简化了多路复用操作。图3显示等效模拟输入电路。模拟输入通过采样频率注入小瞬态电流R5和C由2组成的外部滤波少了它对操作放大器输出的影响。此外，滤波器的带宽为2.7 MHz，可减少ADC输入噪声。

图3. AD等效模拟输入电路7689

在4.096 V或2.5 V在可选基准电压下，该电路的输入范围可在±10 V和±6 V而不降低系统分辨率切换。

内部温度传感器可用于监测AD在精密应用中实现系统校准和温度补偿。

隔离电源和数字I/O单芯片解决方案

ADuM3471用于电源和数字I/O隔离单芯片解决方案。隔离电压为2500 V rms（UL 1577器件认可)。ADuM3471提供4通道隔离I/O用于隔离的端口并集成DC/DC转换器的PWM控制器和变压器驱动器。使用一些外部元件时，ADuM3471可以通过任何调节电压 V至24 V）提供2 W隔离电源。必要的外部元件是一个用于电能传输的变压器，两个用于全波整流的整流，一个用于纹波抑制LC设置输出电压的滤波器和两个反馈电阻。详情参见ADuM3471数据手册和图1。

布局考量

该电路或任何高速/高分辨率电路的性能都高度依赖于适当性PCB布局，包括但不限于电源旁路、信号路由和适当的电源层和接地层。PCB详见教程 MT-031、 教程 MT-101和 高速印刷电路板布局实用指南(模拟对话)。

有关CN-0254完整的设计支持包，包括原理图、电路板布局和BOM，请参阅http://www.analog.com/CN0254-DesignSupport。

系统性能

图4显示了评估板端子板上的评估板CH0至CH7短接到GND时，10，000个ADC代码样本(1 kSPS曲线图需要1秒。请注意，95%的代码是4 LSB，峰值分布约为7 LSB。这对应于约7 ÷ 6.6 = 1.1 LSB均方根值。

图4. 0 V DC输入时的直方图，10000个样本

交流性能如图5所示。采样速率250 kSPS由统演示平台 （EVAL-SDP-CB1Z SDP）控制，包括信号窗口和FFT的数字信号处理通过CN-0254评估软件在PC上计算。输入正弦波形为20 kHz音频，由低失真B&K正弦发生器Type 1051提供。

　　

　　图5. KAISER窗口（参数 = 20）、20 KHZ输入、250 KSPS采样速率下的FFT

　　常见变化

　　对于需要更高采样速率的应用，AD7699采样速率高达500 kSPS，是AD7689的理想引脚替代产品。

　　AD8615、 AD8616 和 AD8618 分别为单通道/双通道/四通道精密、CMOS、轨到轨输入/输出运算放大器，带宽最高可达20 MHz。可用于带宽需求比AD8605/AD8608 系列更高的应用。

　　ADR3412 （1.200 V）、ADR3420 （2.048 V）、ADR3425 （2.500 V）、ADR3430 （3.000 V）、ADR3433 （3.300 V）、ADR3440 （4.096 V） 和 ADR3450 （5.000 V）均为低成本、低功耗、高精度CMOS基准电压源，具有±0.1%的初始精度、低工作电流和低输出噪声特性，采用SOT-23小型封装。如果需要，这些器件可代替AD7689内部基准电压源。

　　ADuM3470、 ADuM3471、ADuM3472、ADuM3473和ADuM3474 非常适合需要电源和数字I/O隔离的应用。ADuM120x 和 ADuM140x系列用于隔离式I/O扩展。针对高数据速率，ADuM344x系列最高支持150 Mbps。

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