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適合過程控制應用的完整高速、高共模抑制比精密模擬前端
摘要: 工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的信號電平通常為以下幾類之一:單端電流(4~20mA)、單端差分電壓(0~5V、0~10V、±5V、±10V)或者來自熱電偶或稱重傳感器等傳感器的小信號輸入。大共模電壓擺幅也非常典型,尤其是小信號差分輸入;因此,良好的共模抑制性能是模擬信號處理系統(tǒng)的一項重要特性。
Abstract:
Key words :
 

  電路功能與優(yōu)勢

  工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的信號電平通常為以下幾類之一:單端電流(4~20mA)、單端差分電壓(0~5V、0~10V、±5V、±10V)或者來自熱電偶或稱重傳感器等傳感器的小信號輸入。大共模電壓擺幅也非常典型,尤其是小信號差分輸入;因此,良好的共模抑制性能是模擬信號處理系統(tǒng)的一項重要特性。

  圖1所示的模擬前端電路經(jīng)過優(yōu)化,可在處理這些類型的工業(yè)級信號時提供高精度和高共模抑制比(CMRR)。  

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圖1適合過程控制應用的高性能模擬前端(原理示意圖:未顯示所有連接和去耦)

  該電路會對信號進行電平轉換和衰減,從而使信號可以與大多數(shù)現(xiàn)代單電源SAR ADC的輸入范圍要求兼容,如高性能、16位250kSPS PulSAR® ADCAD7685

  對于18Vp-p的輸入信號,該電路的共模抑制(CMR)性能約為105dB(100Hz時)和80dB(5kHz時)。

  高精度、高輸入阻抗和高CMR由儀表放大器AD8226提供。對于高精度應用,需要具有高輸入阻抗,以便最大程度地減小系統(tǒng)增益誤差并實現(xiàn)出色的CMR。AD8226增益可以用電阻在1至1000范圍內進行編程設置。

  若直接在輸入端連接阻性電平轉換器/衰減器級,會因電阻之間出現(xiàn)失配,導致CMR性能下降。AD8226可以提供小信號和大信號輸入所需的出色CMR性能。無需任何外部元件,電平轉換器/衰減器/驅動器AD8275即可在該電路中執(zhí)行衰減和電平轉換功能。

  由于信號帶寬相對較低,Σ-Δ型ADC通常用于高分辨率測量系統(tǒng),而且Σ-Δ架構可以在低更新速率條件下提供出色的噪聲性能。不過,在越來越多的設計中,尤其是多通道系統(tǒng),更新速率不斷提高,以便更快地更新各通道或增加通道密度。這種情況下,高性能SAR ADC是不錯的替代之選。圖1所示電路采用250kSPS 16位ADC AD7685、高性能儀表放大器AD8226和衰減器/電平轉換器/放大器AD8275并配置為完整的系統(tǒng)解決方案,無需任何外部元件。

  電路描述

  此電路內置一個軌到軌輸出儀表放大器AD8226,并連接到G=0.2差動放大器AD8275的正輸入端,該差動放大器的輸出端則連接到16位、250kSPS、采用MSOP/QFN封裝的PulSAR ADC AD7685的輸入端。AD8226的增益設置為1(高電壓/電流輸入),且其輸出以地為參考。可以使用單端或差分輸入。AD8226的輸出為雙極性信號,用于驅動AD8275輸入。AD8275用于對該雙極性輸入進行衰減和電平轉換,從而提供0.2的增益。因此,在其輸入端輸入20Vp-p的差分信號時,輸出端將產生4Vp-p的單端信號。4.5V精密基準電壓源ADR439用于為AD8275提供內部共模偏置電壓(VREF/2=2.25V),以及為AD7685 ADC提供外部基準電壓。在這些條件下,AD8275的輸出擺幅為+0.25~+4.25V,位于AD7685的0~+4.5V工作范圍內。

  ADP1720用于為AD8275和AD7685提供5V電源。之所以選擇ADP1720是因為其具有高輸入電壓范圍(高達28V)。在此電路中,ADP1720只需為AD8275和AD7685提供約4mA的電流,因此在最差情況下,28V輸入時調節(jié)器的功耗約為90mW,這使得整個系統(tǒng)可以采用外部±15V電源供電。

  系統(tǒng)級共模抑制性能

  初始測試用于在系統(tǒng)級驗證至ADC的AD8226共模抑制性能。采用的輸入測試信號音為10Hz、100Hz、500Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz,而輸入信號為18Vp-p。測試結果如表1所示。在測試1中,AIN+和AIN−信號短接并連接到交流測試信號音,然后以FFT測量結果。由于輸入端連接在一起,因此AD8226應當會抑制交流信號。在測試2中,信號施加于AIN+,而AIN−接地。在這些條件下,F(xiàn)FT測量信號音電平。然后,通過計算測試1和測試2中FFT結果之間的差值即可得到共模抑制值。表1列出了不同頻率下獲得的CMR值。必須注意,AD8226在5kHz時的CMR額定值為80dB,因此可在系統(tǒng)級實現(xiàn)CMR性能無損。

  系統(tǒng)級交流性能

  此外還要在系統(tǒng)級測試系統(tǒng)的交流精度,此時AD7685的工作采樣速率為250 kSPS。圖2所示為10 kHz、5V p-p輸入時的FFT測試結果。圖中所示的結果如下:

  •信噪比(SNR)=87.13dBFS

  •信納比(SINAD)=85.95dBFS

  •無雜散動態(tài)范圍(SFDR)=81.82dBc

  •總諧波失真(THD)=−78.02dBc

  表1 18Vp-p輸入時電路的CMR性能  

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圖2 10kHz輸入信號、滿量程以下14dB、250 kSPS的FFT結果

  該電路或任何高速電路的性能都高度依賴于適當?shù)腜CB布局,包括但不限于電源旁路、受控阻抗線路(如需要)、元件布局、信號布線以及電源層和接地層。(有關PCB布局的詳情,請參見 MT-031教程、MT-101教程和 高速印刷電路板布局實用指南一文。)

  有關本電路筆記的完整設計支持包,請參閱http://www.analog.com/CN0213-DesignSupport

  常見變化

  經(jīng)驗證,采用圖中所示的元件值,該電路能夠穩(wěn)定地工作,并具有良好的精度。可使用其他ADI公司的模數(shù)轉換器來代替AD7685,從而進一步提高速度/分辨率或性能。AD7688提供真差分輸入,以便取得更佳CMR性能。18位ADCAD7982能夠以高達1MSPS的速度提供更高分辨率,并且還提供全差分。漏斗放大器AD8475也可接受高電壓雙極性輸入,并提供衰減、電平轉換和差分輸出,因此非常適合使用差分輸入ADC的工業(yè)應用(參見電路筆記CN-0180)。

  電路評估與測試

  該電路采用系統(tǒng)演示平臺(SDP)進行測試。SDP平臺包含必要的ADC驅動器以及至PC的USB連接。從ADC采樣的數(shù)據(jù)由SDP板通過USB發(fā)送至PC。然后利用ADC公司提供的標準ADC LabVIEW評估軟件工具生成FFT曲線圖。測試設置的功能框圖如圖3所示,而電路板照片如圖4所示。

  用于收集測試數(shù)據(jù)的設備

  • 帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows®7(32位)PC

  • EVAL-A-INPUT-1AZ電路評估板

  • EVAL-SDP-CB1Z、SDP-A評估板

  • 評估軟件

  • 電源電壓:+5V(200mA)

  • 電源電壓:±15 V、Agilent E3630A或等同

  • 信號發(fā)生器:Agilent 33120A或等同產品  

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圖3 測試設置的功能框圖 

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圖4 與SDP板相連的EVAL-A-INPUT-1AZ評估板照片

  設置與測試

  在PC的CD驅動器中加載評估軟件。

  EVAL-A-INPUT-1AZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z(SDP)評估板上標有“CON B”的連接器。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。將信號源連接到EVAL-A-INPUT-1AZ板的J1輸入(AIN+)端子。運行常規(guī)FFT測試時,JP1跳線連接在J3端子(IN−)和地之間。運行CMR測試時,該跳線連接在J1(AIN+)和J3(AIN−)之間。

  在斷電情況下,將一個+5V電源連接到SDP板。使用USB電纜將SDP板連接到PC上的USB端口。

  然后,將±15 V電源連接到EVAL-A-INPUT-1AZ電路板。啟動評估軟件,并通過USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器。

  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-A-INPUT-1AZ板的串行數(shù)據(jù)。



 

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