用于±10 V輸入的單電源、完全隔離式數據采集系統 (二)

　有源元件溫度系數對總誤差的影響

　　AD8606運算放大器和AD7091R ADC的直流失調由校準程序消除。

　　ADC AD7091R內置基準電壓源的失調漂移典型值為4.5 ppm/°C，最大值為25 ppm/°C.

　　AD8606運算放大器的失調漂移典型值為1μV/°C，最大值為4.5μV/°C.

　　U1A AD8606輸入導致的誤差以2.3 V輸出范圍為基準，因而為2 ppm/°C.U1B基準電壓緩沖器導致的誤差以2.5 V為基準，同樣約為2 ppm/°C.

　　總漂移誤差結如表1所概括。這些誤差不包括AD7091R的±1 LSB積分非線(xiàn)性誤差。

　　請注意，如果采用50 ppm/°C或100 ppm/°C電阻，則總漂移的最大來(lái)源是電阻漂移，有源元件產(chǎn)生的漂移可忽略。

　　表1.溫度漂移導致的誤差

　　兩點(diǎn)校準前后的測試數據

　　為了執行兩點(diǎn)校準，先向輸入端施加-10 V的電流，并將ADC輸出代碼記為Code_1.然后，向輸入端施加+10 V的電流，再將ADC輸出代碼記為Code_2.增益系數通過(guò)下式計算：

　　現在，可通過(guò)下式計算與任何輸出代碼Code_x對應的輸入電壓：

　　通過(guò)比較使用元件標稱(chēng)值計算得到的理想傳遞函數和未校準實(shí)際電路傳遞函數，可以得到校準前的誤差。實(shí)測電路所用電阻的容差為±1%.測試結果不包括溫度變化。

　　圖3中所示為環(huán)境溫度下校準前后的百分比誤差(FSR)測試結果。如圖所示，校準前的最大誤差約為0.23% FSR.校準后，誤差降至±0.03% FSR，大致相當于A(yíng)DC的1 LSB誤差。

　　圖3.室溫校準前后的電路測試誤差

　　PCB布局考慮

　　在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應盡可能隔離數字部分和模擬部分。該系統的PCB采用簡(jiǎn)單的雙層板堆疊而成，但采用4層板可以得到更好的EMS性能。有關(guān)布局和接地的信息，請參見(jiàn)MT-031指南;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請參見(jiàn)MT-101指南。AD8606的電源應當用10μF和0.1μF電容去耦，以適當抑制噪聲并減小紋波。這些電容應盡可能靠近相應器件，0.1μF電容應具有低ESR值。對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。電源走線(xiàn)應盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線(xiàn)路上的毛刺效應。

　　ADuM5401 isoPower集成式DC/DC轉換器要求在輸入和輸出電源引腳上進(jìn)行電源旁路。請注意，引腳1與引腳2以及引腳15和引腳16之間需要低ESR旁路電容，這些電容應盡可能靠近芯片焊盤(pán)。為了抑制噪聲并降低紋波，至少需要并聯(lián)兩個(gè)電容。針對VDD1和VISO，推薦的電容值是0.1μF和10μF.較小的電容必須具有低ESR，建議使用陶瓷電容。低ESR電容末端到輸入電源引腳的走線(xiàn)總長(cháng)不得超過(guò)2 mm.如果旁路電容的走線(xiàn)長(cháng)度超過(guò)2 mm，可能會(huì )破壞數據?？紤]在引腳1與引腳8及引腳9與引腳16之間實(shí)現旁路，除非兩個(gè)公共地引腳靠近封裝連在一起。

　　高電壓能力

　　這款PCB依據2500 V基本絕緣規范而設計。不建議進(jìn)行2500 V以上的高電壓測試。在高電壓下使用該評估板時(shí)必須謹慎，而且不得依賴(lài)該PCB來(lái)實(shí)現安全功能，因為它未經(jīng)過(guò)高電位測試(也稱(chēng)為高壓測試或耐壓絕緣測試)，也未通過(guò)安全認證。

　　常見(jiàn)變化

　　經(jīng)驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩定地工作，并具有良好的精度?？稍谠撆渲弥胁捎闷渌苓\算放大器和其他ADC，以將±10V輸入電壓范圍轉換成數字輸出，用于本電路的各種其他應用中。

　　可依據“電路設計”部分的等式，針對±10 V輸入電壓范圍以外進(jìn)行設計，如圖1所示。表2顯示針對某些標準電壓范圍計算電阻。

　　表2.標準電壓范圍元件值

　　在下限為零且上限高于基準電壓時(shí)，轉換不需增益(k = 1)，并且可簡(jiǎn)化電路。圖4顯示輸入范圍為0 V至10 V的一個(gè)例子。

　　圖4. 0 V至10 V隔離式單電源模數轉換(未顯示所有連接和去耦)

　　AD7091與AD7091R類(lèi)似，但沒(méi)有基準電壓輸出，而且輸入范圍等于電源電壓。AD7091可與2.5 V ADR391基準電壓源配合使用。ADR391不需要緩沖，因此可在電路中使用一個(gè)AD8605.

　　ADR391是一款精密2.5 V帶隙基準電壓源，具有低功耗、高精度(溫度漂移為9 ppm/°C)等特性，采用微型TSOT封裝。

　　AD8608是AD8605的四通道版本，在需要額外的精密運算放大器時(shí)，可以替代AD8606.

　　AD8601、AD8602和AD8604分別為單通道、雙通道和四通道軌到軌、輸入和輸出、單電源放大器，具有超低失調電壓和寬信號帶寬等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608.

　　AD7457是一款12位、100 kSPS、低功耗SAR ADC，在不需要300 kSPS吞吐速率的情況下，可以與ADR391基準電壓源相配合，用于代替AD7091R.

　　電路評估與測試

　　本電路采用EVAL-CN0335-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP)評估板。轉接板SDP-PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引腳對接連接器。轉接板和EVAL-CN0335-PMDZ板采用12引腳Pmod對接連接器，可快速進(jìn)行設置和評估電路性能。EVAL-CN0335-PMDZ板包含要評估的電路(如本筆記所述)，SDP評估板與CN0335評估軟件配合使用，以捕獲來(lái)自EVAL-CN0335-PMDZ電路板的數據。

　　設備要求

　　。帶USB端口的Windows XP、Windows Vista(32位)或Windows 7/8(64位或32位)PC

　　。EVAL-CN0335-PMDZ電路評估板

　　。EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板

　　。SDP-PMD-IB1Z轉接板

　　。CN0335評估軟件

　　。精密電壓源

　　開(kāi)始使用

　　將CN0335評估軟件光盤(pán)放進(jìn)PC的光盤(pán)驅動(dòng)器，加載評估軟件。也可以從CN0335評估軟件中下載最新版的評估軟件。打開(kāi)“我的電腦”，找到包含評估軟件光盤(pán)的驅動(dòng)器，打開(kāi)setup.exe.按照屏幕上的提示完成安裝。建議將所有軟件安裝在默認位置。

　　功能框圖

　　圖5所示為測試設置的功能框圖。

　　設置

　　1.通過(guò)直流管式插孔將EVAL-CFTL-6V-PWRZ(+6 V直流電源)連接到SDP-PMD-IB1Z轉接板。

　　2.通過(guò)120引腳ConA連接器將SDP-PMD-IB1Z(轉接板)連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。

　　3.通過(guò)USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)連接到PC.

　　4.通過(guò)12引腳接頭Pmod連接器將EVAL-CN0335-PMDZ評估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉接板。

　　5.通過(guò)端子板J2將電壓源(電壓生成器)連接到EVAL-CN0335-PMDZ評估板。

　　測試

　　啟動(dòng)評估軟件。如果“設備管理器”中出現“Analog Devices System Development Platform(ADI系統開(kāi)發(fā)平臺)”驅動(dòng)器，軟件便能與SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來(lái)發(fā)送、接收、捕捉來(lái)自EVAL-CN0335-PMDZ板的串行數據?？蓪⒏鞣N輸入電壓值保存到電腦中。有關(guān)如何使用評估軟件來(lái)捕捉數據的詳細信息，請參閱CN0335軟件用戶(hù)指南。

　　EVAL-CN0335-PMDZ板照片如圖6所示。

　　圖5.測試設置功能框圖

　　圖6. EVAL-CN0335-PMDZ板的照片