CN0292 用于工业电平信号的完全隔离式鲁棒型4通道多路复用数据采集系统

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CN0292 4 mA至20 mA输入配置 通过499 Ω电阻将电压输入接地,电路可用作4通道、0 mA至20 mA单端输入。 由于满量程信号约为ADC范围的一半,系统的动态范围降低1位。 通过外部适当连接J2连接器,可将输入重新配置为电流输入。 例如,若通道1工作在电压模式下,则电压施加在J2端点1,而端点3接地。若工作在电流模式下,则电流施加在端点1和端点2,而端点3接地。 表2. 用于电压和电流输入选项的J2连接 输入 电压模式输入端点 电流模式输入端点 通道 1 1, 3 (GND) 1 和 2, 3 (GND) 通道 2 4, 6 (GND) 4 和 5, 6 (GND) 通道 3 7, 9 (GND) 7 和 8, 9 (GND) 通道4 10, 12 (GND) 10 和 11, 12 (GND) ±5 V输入配置 在图1电路中,AD8475选择0.4×增益配置。 若选择0.8×增益,则满量程范围将从±10 V下降到±5 V,导致灵敏度翻倍。 使用4 mA至20 mA输入和250 Ω端接电阻时,0.8×增益选项还可充分利用ADC输入范围。 实现更宽的带宽 改变ADA4000-4的输入缓冲器并降低第二级输入滤波器电容,便可增加输入带宽。 同时还可大幅提升交流信号测量的失真性能。 将设计扩展至8通道 由缓冲器、多路复用器和衰减器组成的第二条通道可连接至AD7176-2 ADC的AN2/AN3输入,实现8通道操作。 但是,同一时间自动按时序操作的通道数不可超过4个;建议让ADC工作在单次转换模式下,并每经过4次通道转换便重新配置通道映射。 AD7173-8集成4位GPIO,可在外部多路复用器的16条通道之间实现时序操作。AD7173-8速度较慢(6.21 kSPS通道开关速率),但功耗比AD7176-2更低。 设备要求 需要使用以下设备: EVAL-CN0292-SDZ 评估板  EVAL-SDP-CB1Z 系统演示平台  CN-0292评估软件 5 V/1 A直流电源,或壁式电源适配器   精密直流电压源(Fluke 5700)   数字万用表(Agilent 3458)   低噪声、精密电压源(建议使用电池组)   带USB端口的PC,运行Windows® XP (SP2)、Windows Vista或Windows 7(32位或64位)   软件安装 完整的软件用户指南可参见 CN-0292用户指南. CN-0292评估套件要求使用自安装软件,下载地址为:ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0292/。该软件兼容Windows XP (SP2)、Windows Vista和Windows 7(32位或64位)。 如果安装文件未自动运行,请运行setup.exe文件。 请先安装评估软件,再将评估板和SDP板连接到PC的USB端口,确保PC能够正确识别评估系统。 完成评估软件安装后,将EVAL-SDP-CB1Z(通过连接器A或连接器B)连接到EVAL-CN0292-SDZ,然后利用附送的电缆将EVAL-SDP-CB1Z连接到PC的USB端口。 检测到评估系统后,确认出现的所有对话框,完成安装。 设置与测试 图8显示测试设置的功能框图   图8. 测试设置功能框图   为测试该电路,需要如下硬件设备: 将EVAL-CN0292-SDZ板上的所有链路设为默认的位置A(这样可将板配置为通过isoPower®和LDO并采用±15 V和5 V电源上电)。   利用连接J14的5 V/1 A直流电源为板上电(参见图10)。   通过J2连接器上的V4将±10 V单端信号连接到V1。   为获得最优性能,建议采用下列ADC软件配置: 使能GPIO Mux(GPIO多路复用器)。 将Delay Conversion(延迟转换)设为4 μs。 使能 Data + Status(数据+状态). 使能待测通道 选择外部基准电压源。 保留其他寄存器的复位值。 如需手动选择通道,可禁用GPIO Mux(GPIO多路复用器),使能GPIO 0 Output(GPIO 0输出)和GPIO 1 Output(GPIO 1输出),然后设置GPIO 0 Data(GPIO 0数据)和GPIO 1 Data(GPIO 1数据)上的通道数。 至此完成测试设置的配置(参见图9)。 将样本数设为1000,然后单击Start Sampling(开始采样)。 收集到样本后,结果显示在主波形图上。 注意,电压读数以ADC输入为基准;因此,J2/J15上的10 V输入产生的软件读数约为4 V。   图9. 42 kSPS时的4通道多路复用转换ADC配置   图10. EVAL-CN0292-SDZ评估板连接EVAL-SDP-CB1Z SDP板的照片   信号路径 采用ADA4096-4缓冲4个输入信号通道;该器件是一款四通道轨到轨输入/输出运算放大器,针对高于或低于±15 V供电轨达32 V的输入,具有防止发生反相或闩锁的过压保护功能, 因而无需额外的过压保护电路。 T输入针对±10 V典型低频工业信号设计。输入缓冲器为信号源提供高阻抗,并将输入与多路复用器开关瞬态隔离。 缓冲器输入端的RC网络(10 Ω/10 nF)带宽为1.6 MHz,具有高频噪声滤波功能。 ADA4096-4输出端的RC网络(47 Ω/47 nF)可将缓冲器与多路复用器开关瞬态隔离。 图2显示等效电路。 输入电压必须对漏极电容CD充电,才能切换至下一通道。 通道间电压可高达 20 V,且多路复用器切换至下一通道时可产生瞬态电流。   图2. RC反冲隔离电路   ADG1204多路复用器具有低漏极电容(<4 pF),可最大程度减少反冲电荷。 采用ADA4898-1运算放大器缓冲多路复用器输出,以防载入开关导通电阻产生的误差。ADA4898-1是一个单位增益稳定的器件,可在不到85 ns时间内建立至0.1%,输入电压噪声仅为 0.9 nV/√Hz。 缓冲器在最差情况下的输入信号为±10 V、21 kHz方波信号;此时,两个邻道的输入端分别具有满量程正电压和满量程负电压。 ADA4898-1输入端的RC网络(1.8 kΩ/68 pF)带宽为1.3 MHz,可用作宽带噪声滤波器。该滤波器的时间常数为122 ns,16位建立时间约为1.34 μs(约11个时间常数)。 ADA4898-1缓冲器输出驱动AD8475精密差分漏斗放大器;后者可将双极性、单端±10 V信号转化为±4 V差分信号并以2.5 V共模电压为中心。AD8475集成经过调整和匹配的精密电阻, 其增益配置为0.4×,可接受±12.5 V输入,并采用5 V单电源供电。 共模电压由AD7176-2 ADC的REFOUT引脚(2.5 V)提供。 AD7176-2差分输入范围由ADR4550 5 V基准电压源设为±5 V。 AD7176-2可同时用作ADC和多路复用器控制器。使能MUX_IO位可导致AD7176-2的GPIO引脚与ADC通道序列和转换的同步切换;因此,通道的改变与ADC同步,无需任何外部同步。 GPIO引脚能为数字接口节省两条原本控制多路复用器所需的控制线。 通过AD7176-2可配置0 μs至1 ms可编程转换延迟。 转换延迟是每次通道发生变化(由GPIO位控制)与转换开始之间的延迟。 延迟调节允许多路复用器和调理电路具有额外的建立 时间。 信号路径上的所有元件均针对兼容42 kSPS通道开关速率的最小总建立时间而选择。 因此,电路具有低于−90 dB满量程信号的通道间低频串扰性能。 通道开关和转换开始之间可插入一个可编程转换延迟,从而在需要进一步优化的场合允许电路以最大建立时间驱动ADC。 数字隔离和isoPower ADUM3471是一个四通道数字隔离器,集成脉冲宽度调制(PWM)控制器和低阻抗变压器驱动器(X1和X2)。 隔离式DC-DC转换器仅需一个变压器(Coilcraft KA4976-AL,1:5匝数比, 64 μH初级电感)和一个简单全波肖特基二极管整流器(四个SD103AW-7-F二极管)。 采用5 V或3.3 V输入电源时,电源电路最高可提供2 W调节隔离功率,因而无需另外使用隔离 式DC-DC转换器。 iCoupler®芯片级变压器技术用于隔离逻辑信号;集成的变压器驱动器带隔离副边控制功能,可以提高隔离式DC-DC转换器的效率。 内部振荡器频率可以在200 kHz至1 MHz范围内调 节,由连接OC引脚的电阻值决定。 当该电阻等于100 kΩ时,开关频率为500 kHz。 ADuM3471调节来自正电源。用于调节的反馈来自分压器网络;该分压器网络根据以下要求选择:当输出电压为16.76 V时,反馈电压为1.25 V。反馈电压与ADuM3471的1.25 V内部反 馈设定点电压相比较。调节通过改变驱动外部变压器PWM信号的占空比来实现。 ADP7102 LDO调节器可将16.76 V输出电压向下调节至15 V。来自变压器的未调节负整流电压约为−21 V。ADP7182负调节器用来提供−15 V调节电压。然后,±15 V调节电压用来为高 压元器件供电(ADA4096-4、ADG1204和ADA4898-1)。 性能测量 无噪声码分辨率 通道输入短路至GND时,电路测量的17位无噪声码分辨率如图3所示。 图3. 42 kSPS开关速率下的噪声和分辨率   在通道之间进行多路复用时的建立时间 9.6 V信号源(电池组)连接系统用作通道1和通道3的输入。−9.6 V信号源连接通道2和通道4。 . 多路复用器可手动设为通道1,方法是将GPIO位设为00;然后便可得到1000个样本的直方图,如图4所示。无噪声码分辨率优于16位。 图4. 单通道9.6 V转换直方图   然后,使能多路复用器(42 kSPS,4 µs延迟),获取通道1的1000个样本直方图,如图5所示。 无噪声码分辨率优于16位。   每种配置均可获得优于16位的无噪声码分辨率;在通道之间进行多路复用时,失调平均值略有漂移,如图6所示。 42 kSPS时漂移约为300 µV(15 ppm FS,或16位时1 LSB),并且 可通过加入更多转换延迟而降低(在AD7176-2的ADC模式寄存器中配置),因此允许转换以前具有更多建立时间。 图6. 带与不带多路复用时的通道1转换直方图   积分非线性使 用Fluke 5700多功能校准仪和Agilent 3458万用表,能在−11 V至+11 V范围内对积分非线性(INL)以1 V步进进行测量。 测量结果如图7所示;图中的端点线性度误差校准至零。 AD7176-2的典型INL规格为±3 ppm FS。板上的其他器件同样会产生非线性,但并非所有非线性都在同样的电压下达到峰值;因此,可得到一个U型曲线,如图7所示。 .  图7. INL(以FSR的ppm表示)与输入电压的关系   若校准寄存器采用默认值,则−11 V至+11 V范围内计算的失调和增益误差分别为318 µV和0.04% FS(25°C时)。 表1显示每个器件随温度变化而产生的失调和增益漂移贡献。 表1. 失调和增益漂移贡献  产品型号  失调漂移  增益漂移  ADA4096-4  0.4 µV/°C  不适用  ADA4898-1  0.4 µV/°C  不适用  AD8475  2.5 µV/°C  1 ppm/°C  AD7176-2  110 nV/°C  0.5 ppm/°C  ADR4550  Not applicable  2 ppm/°C (maximum)  RSS 值  2.56 µV/°C  2.29 ppm/°C  最大值  3.41 µV/°C  3.5 ppm/°C 用于CN-0292的完整设计支持包(包括原理图、布局文件、装配图和物料清单)可参见CN-0292设计支持包。 CN0292 用于工业电平信号的完全隔离式鲁棒型4通道多路复用数据采集系统 CN0292 图1中的电路是一个完全隔离、鲁棒、4通道数据采集系统,提供16位、无噪声代码分辨率和高达42 kSPS的自动通道开关速率。 由于在多路复用信号链上选择了独特的快速建立时间元件,因而42 kSPS开关速率下的通道间串扰低于15 ppm FS(低于−90 dB)。 该电路获取并数字化标准工业信号电平,包括:±5 V、±10 V、0 V至10 V和0 mA至20 mA。 输入缓冲器还提供过压保护,从而消除了传统肖特基二极管保护电路的相关漏电流误差。 本电路的应用包括过程控制(PLC/DCS模块)、电池测试、科学多通道仪器和色谱仪。 图1. 4通道数据采集系统功能框图(原理示意图: 未显示所有连接和去耦)   cn0292(analog)

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