適合過(guò)程控制應用的完整高速、高共模抑制比(CMRR)精密模擬前端

電路功能與優(yōu)勢
工業(yè)過(guò)程控制系統中的信號電平通常為以下幾類(lèi)之一：?jiǎn)味穗娏鳎?～20mA）、單端差分電壓（0～5V、0～10V、±5V、±10V）或者來(lái)自熱電偶或稱(chēng)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的一項重要特性。
圖1所示的模擬前端電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可在處理這些類(lèi)型的工業(yè)級信號時(shí)提供高精度和高共模抑制比(CMRR)。


圖1適合過(guò)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(huì )對信號進(jìn)行電平轉換和衰減，從而使信號可以與大多數現代單電源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(shí)）和80dB（5kHz時(shí)）。
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增益誤差并實(shí)現出色的CMR。AD8226增益可以用電阻在1至1000范圍內進(jìn)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(huì )因電阻之間出現失配，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(wú)需任何外部元件，電平轉換器/衰減器/驅動(dòng)器AD8275即可在該電路中執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，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(guò)，在越來(lái)越多的設計中，尤其是多通道系統，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解決方案，無(wú)需任何外部元件。

電路描述
此電路內置一個(gè)軌到軌輸出儀表放大器AD8226，并連接到G=0.2差動(dòng)放大器AD8275的正輸入端，該差動(dòng)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?？梢允褂脝味嘶虿罘州斎?。AD8226的輸出為雙極性信號，用于驅動(dòng)AD8275輸入。AD8275用于對該雙極性輸入進(jìn)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(shí)，輸出端將產(chǎn)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A(yíng)D7685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(shí)調節器的功耗約為90mW，這使得整個(gè)系統可以采用外部±15V電源供電。
系統級共模抑制性能
初始測試用于在系統級驗證至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(huì )抑制交流信號。在測試2中，信號施加于A(yíng)IN+，而AIN?接地。在這些條件下，FFT測量信號音電平。然后，通過(guò)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(shí)的CMR額定值為80dB，因此可在系統級實(shí)現CMR性能無(wú)損。

系統級交流性能
此外還要在系統級測試系統的交流精度，此時(shí)AD7685的工作采樣速率為250 kSPS。圖2所示為10 kHz、5V p-p輸入時(shí)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)=81.82dBc
?總諧波失真(THD)=?78.02dBc
表1 18Vp-p輸入時(shí)電路的CMR性能


圖2 10kHz輸入信號、滿(mǎn)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(lài)于適當的PCB布局，包括但不限于電源旁路、受控阻抗線(xiàn)路（如需要）、元件布局、信號布線(xiàn)以及電源層和接地層。（有關(guān)PCB布局的詳情，請參見(jiàn) MT-031教程、MT-101教程和 高速印刷電路板布局實(shí)用指南一文。）
有關(guān)本電路筆記的完整設計支持包，請參閱http://www.analog.com/CN0213-DesignSupport
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?？墒褂闷渌鸄DI公司的模數轉換器來(lái)代替AD7685，從而進(jìn)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(jiàn)電路筆記CN-0180）。

電路評估與測試
該電路采用系統演示平臺(SDP)進(jìn)行測試。SDP平臺包含必要的ADC驅動(dòng)器以及至PC的USB連接。從ADC采樣的數據由SDP板通過(guò)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(xiàn)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。
用于收集測試數據的設備
? 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(chǎn)品

圖3 測試設置的功能框圖


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(dòng)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(guò)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FFT測試時(shí)，JP1跳線(xiàn)連接在J3端子(IN?)和地之間。運行CMR測試時(shí)，該跳線(xiàn)連接在J1(AIN+)和J3(AIN?)之間。
在斷電情況下，將一個(gè)+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(dòng)評估軟件，并通過(guò)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(lái)發(fā)送、接收、捕捉來(lái)自EVAL-A-INPUT-1AZ板的串行數據。