用于工業(yè)信號電平的精密24位、250 kSPS單電源Σ-Δ型ADC系統

連接/參考器件

AD7176-2 24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC，建立時(shí)間20 μs

AD8475 精密、可選增益、全差分漏斗放大器

ADR445 5 V超低噪聲LDO XFET基準電壓源

評估和設計支持

電路評估板

AD7176-2電路評估板(EVAL-AD7176-2SDZ)

系統演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

對工業(yè)電平信號進(jìn)行采樣時(shí)，必須提供快速高分辨率轉換信息。通常，當采樣速率達到500 kSPS時(shí)，模數轉換器(ADC)具有的最高分辨率為14位至18位。圖1所示電路是一款單電源系統，針對工業(yè)電平信號采樣進(jìn)行優(yōu)化，集成一個(gè)24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC。兩個(gè)差分通道或四個(gè)偽差分通道中的每一個(gè)都能夠以17.2位無(wú)噪聲代碼分辨率、最高50 kSPS的速率對其進(jìn)行掃描。

本電路利用創(chuàng )新型差分放大器和內置激光調整電阻執行衰減和電平轉換，通過(guò)具有低電源電壓的精密ADC可以解決獲取±5 V、±10 V和0 V至10 V的標準工業(yè)電平信號并進(jìn)行數字化處理的問(wèn)題。本電路的應用包括過(guò)程控制（PLC/DCS模塊）、醫療以及科學(xué)多通道儀器和色譜儀。

圖1. 工業(yè)信號用高精度、24位ADC驅動(dòng)器（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

電路描述

工業(yè)電平信號施加于A(yíng)D8475精密差分漏斗放大器上，該器件可將輸入信號衰減0.8倍或0.4倍。它集成經(jīng)過(guò)調整并匹配的精密電阻，用來(lái)控制衰減。當AD8475使用5 V單電源并且增益設置為0.4時(shí)，此電阻支持最高±12.5 V的單端或差分輸入。器件提供最高±15 V的輸入過(guò)壓保護。

當輸入信號（增益為0.4）處于±10 V單端或差分輸入范圍內時(shí)，AD8475和AD7176-2器件組合能夠保持線(xiàn)性度，如圖4中的測量INL限值所示；圖中，測量端點(diǎn)分別為?10 V和+10 V。此時(shí)，AD8475的輸出擺幅介于0.5 V和4.5 V之間。

通過(guò)對VOCM引腳施加所需的共模電壓，便可設置共模輸出。圖1所示電路中，通過(guò)將AD7176-2 ADC的2.5 V REFOUT電壓施加于A(yíng)D8475的VOCM引腳，完成共模電壓的設置。

AD8475提供衰減和電平轉換，以便驅動(dòng)AD7176-2的采樣電容輸入；功耗僅為3.2 mA。

AD8475放大器的輸出連接到RC濾波器網(wǎng)絡(luò )，可提供差分和共模噪聲濾波以及AD7176-2輸入采樣電容所需的動(dòng)態(tài)充電。該網(wǎng)絡(luò )還可隔離放大器輸出，使其不受動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)電容輸入的反沖影響。共模帶寬（RIN、C1）為59 MHz。差模帶寬（2 × RIN、0.5C1 + C3）為9.8 MHz

還可設置AD8475，使其接受單端信號。將-IN 0.4×輸入接地，并對+IN 0.4×輸入施加單端信號。

AD7176-2 24位、Σ-Δ ADC對AD8475的輸出進(jìn)行采樣，并轉換為數字輸出。轉換速率和數字濾波器特性可針對5 SPS至250 kSPS的輸出數據速率進(jìn)行調節。

AD7176-2可配置為兩個(gè)全差分輸入或四個(gè)偽差分輸入。ADC支持最高50 kSPS的通道掃描速率。AD7176-2的無(wú)噪聲位性能為17.2位(250 kSPS)；20.8位(1 kSPS)；以及21.7位(50 SPS)。

圖2表示輸入接地時(shí)的總系統有效均方根噪聲。數據速率為250 kSPS時(shí)，有效均方根噪聲約為30 μV rms。請注意，滿(mǎn)量程時(shí)，本電路的線(xiàn)性度在±10 V輸入下達到最佳狀態(tài)，計算時(shí)滿(mǎn)量程輸入設為20 V p-p。

圖2. 均方根輸出噪聲與輸出數據速率的關(guān)系

有效分辨率以位數表示，折合到20 V滿(mǎn)量程輸入范圍的計算公式為：

有效分辨率 = log2(FSR/均方根噪聲)

有效分辨率 = log2(20 V/30 μV) = 19.3位

圖3. 有效分辨率（均方根位數）與輸出數據速率的關(guān)系

先將均方根噪聲轉換為峰峰值噪聲近似值（均方根噪聲乘以系數6.6），有效分辨率便可轉換為無(wú)噪聲代碼分辨率。計算結果約為2.7位，隨后將其從有效分辨率中扣除，以得到無(wú)噪聲代碼分辨率。如本例所示，經(jīng)計算后，19.3位有效分辨率相當于16.6位無(wú)噪聲代碼分辨率。這一結果與AD7176-2在無(wú)緩沖短路輸入情況下，輸出數據速率為250 kSPS時(shí)的17.2位無(wú)噪聲位規格相比，大約有0.3位的差異。這是由于本例僅采用±10 V作為滿(mǎn)量程范圍，而非±12.5 V的最大值。

圖4顯示采用端點(diǎn)法獲得的系統積分非線(xiàn)性，用滿(mǎn)量程(FSR)的ppm表示。

圖4. 積分非線(xiàn)性（INL，以FSR的ppm表示）與輸入電壓的關(guān)系