24位、4.7Hz、4通道模拟数据采集系统电路设计解析

在电子工程师的日常工作中，设计出高性能、稳定可靠的模拟数据采集系统是一项重要任务。今天，我们就来深入解析一款由ADI公司设计的24位、4.7Hz、4通道模拟数据采集系统电路——CN - 0251。

文件下载：EVAL-CN0251-SDPZ.pdf

一、电路功能与优势

该电路主要用于处理宽动态范围的信号，信号幅度从几mV p - p到20 V p - p不等。在过程控制和工业自动化应用中，±10 V满量程信号很常见，但有时信号可能小至几mV。现代低压ADC处理±10 V信号需要进行衰减和电平转换，而处理小信号则需要放大以充分利用ADC的动态范围。此外，小信号可能有较大的共模电压摆幅，因此需要高共模抑制比（CMR），在某些源阻抗较大的应用中，模拟前端输入电路还需要高阻抗。

CN - 0251电路解决了这些挑战，它提供可编程增益、高CMR和高输入阻抗。输入信号通过4通道ADG1409多路复用器进入AD8226低成本、宽输入范围的仪表放大器，AD8226具有高达80 dB的高CMR和非常高的输入阻抗（差模800 MΩ，共模400 MΩ），宽输入范围和轨到轨输出使其能充分利用电源轨。AD8475是一个全差分衰减放大器，提供精确的衰减（G = 0.4或G = 0.8）、共模电平转换和单端到差分转换，适用于衰减AD8226输出的高达20 V p - p的信号，同时保持高CMR并提供差分输出以驱动差分输入ADC。AD7192是一个带有内部PGA的24位sigma - delta（Σ - Δ）ADC，片上低噪声增益级（G = 1, 8, 16, 32, 64或128）意味着大小不同的信号都可以直接与ADC接口。

二、电路详细描述

1. 调节器和参考源选择

ADP1720 - 5被选为5 V调节器，它是一款适用于工业应用的高压微功耗、低压差线性调节器。4.096 V的ADR444参考源被选为电路的参考，它是一款超低噪声、高精度、低压差设备，特别适用于高分辨率Σ - Δ ADC和精密数据采集系统。

2. 输入开关和保护

ADG1409多路复用器有2位二进制地址线，用于选择四个可能的输入通道之一。设计中还包括外部保护，如标准二极管和瞬态电压抑制器，以增强电路的鲁棒性，这些在图1中未显示，但在CN0251设计支持包的详细原理图和其他文档中有展示。ADG1409多路复用器配置为接受四个差分输入信号，其输出DA和DB被应用到AD8226仪表放大器的输入。

3. AD8226输入仪表放大器

外部(R{G})电阻设置AD8226的增益，在该电路中，(R{G})被省略，仪表放大器级的增益为1。AD8226的输出为VSxA - VSxB，其中x是输入通道号。AD8226的差分输入由两个4.02 kΩ电阻和一个10 nF电容滤波，形成一个截止频率为2.0 kHz的单极RC滤波器，两个1 nF电容提供截止频率为40 kHz的共模滤波。

4. AD7192 ADC PGA增益配置

AD7192配置为接受差分模拟输入，以匹配AD8475的差分输出信号。AD7192的满量程输入范围为±VREF / 增益，其中(pm V{REF}=REFINx(+)-REFINx(-))。当AD7192中的缓冲器启用时，输入通道驱动缓冲放大器的高阻抗输入级，此模式下绝对输入电压范围限制在AGND + 250 mV和(AV{DD}-250 mV)之间。当增益级启用时，缓冲器的输出应用到PGA的输入，模拟输入范围必须限制在(pm(AV_{DD}-1.25 V)) / 增益，因为PGA需要额外的裕量。为了充分利用ADC的动态范围，根据不同的输入范围，信号可以进行衰减或放大，具体增益配置见表1。

5. 差分衰减放大器

为了驱动低压ADC，±10 V或±5 V信号需要衰减和电平转换。差分放大器配置与精密电阻结合使用时，由于电阻之间的不匹配，不可避免地会降低CMR性能。AD8475电平转换器/衰减器集成了匹配的、精密的、激光微调电阻，以确保低增益误差、低增益漂移（最大3 ppm/°C）和高CMR。AD8475有引脚可选的增益选项0.4和0.8，VOCM引脚用于调整输出电压共模，以实现精确的电平转换，匹配ADC的输入范围并最大化动态范围。一个由两个100 Ω电阻和一个1 µF电容组成的单极差分RC滤波器作为AD7192的抗混叠和降噪滤波器，截止频率为800 Hz，两个10 nF电容提供截止频率为160 kHz的共模滤波。

6. 滤波器、输出数据速率和建立时间

AD7192 Σ - Δ ADC由一个调制器和一个数字滤波器组成，输出数据速率（fADC）和建立时间（tSETTLE）与滤波器配置和斩波配置有关，不同配置下的输出数据速率和建立时间计算见表2。

三、布局考虑

此电路或任何其他高速或高分辨率电路的性能高度依赖于正确的PCB布局，包括电源旁路、信号路由以及合适的电源层和接地层等。可参考Tutorial MT - 031、Tutorial MT - 101和文章“A Practical Guide to High - Speed Printed - Circuit - Board Layout”获取关于PCB布局的详细信息。

四、系统性能

24位AD7192 Σ - Δ ADC在该电路中表现出非常好的性能。在斩波禁用、输出数据速率为4.7 Hz、增益为1和SINC4滤波器的配置下，电路的峰 - 峰噪声约为3.9 µV，均方根噪声为860 nV，对应于20位的峰 - 峰（无噪声码）分辨率和23位的均方根分辨率。表3显示了AD7192在斩波禁用和SINC4滤波器下不同数据速率和增益设置的均方根噪声。

五、常见变化

其他带有集成PGA的24位或更低分辨率的Σ - Δ ADC，如AD7190、AD7193、AD7797和AD7799等都可以使用。如果输入信号不需要衰减，AD8476可以用于比AD8475更低的功耗。在不需要衰减和高输入阻抗的应用中，AD7192可以直接连接到传感器，以避免模拟前端调理电路引入的噪声，例如，满量程输出电压较小的称重传感器不需要衰减，可以直接连接到AD7192的差分输入。

六、电路评估和测试

1. 所需设备

• 一台带有USB端口和Windows XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）操作系统的PC。
• EVAL - CN0251 - SDPZ电路评估板。
• EVAL - SDP - CB1Z SDP评估板。
• 直流电源：+15 V、−15 V和+6 V。
• CN - 0251评估软件。

2. 开始步骤

将CN - 0251评估软件CD放入PC的CD驱动器，找到包含评估软件CD的驱动器并打开Readme文件，按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。

3. 测试设置

将EVAL - CN0251 - SDPZ上的120引脚连接器连接到EVAL - SDP - CB1Z（SDP）上的CONA连接器，使用尼龙硬件通过120引脚连接器两端的孔牢固固定两块板。成功设置直流输出电源为+15 V、−15 V和+6 V输出后，关闭电源。在电源关闭的情况下，将+15 V电源连接到J3的+15VA引脚，−15 V电源连接到J3的−15VA引脚，GND连接到J3的AGND引脚，同时在电源关闭时将6 V连接到J2。打开电源，然后将SDP的USB电缆连接到PC的USB端口。在为EVALCN0251 - SDPZ打开直流电源之前，不要将USB电缆连接到SDP上的mini - USB连接器。

4. 测试过程

设置好电源并连接到EVALCN0251 - SDPZ后，启动评估软件，将PC的USB电缆连接到SDP上的mini - USB连接器。如果设备管理器中列出了Analog Devices System Development Platform驱动程序，则软件可以与SDP通信。一旦建立USB通信，SDP就可以用于发送、接收和捕获来自EVALCN0251 - SDPZ的串行数据，然后连接信号源进行测量。关于SDP的信息可以在www.analog.com/SDP上找到。

综上所述，CN - 0251电路为电子工程师提供了一个高性能、灵活的模拟数据采集解决方案，适用于工业自动化、过程控制、仪器仪表和医疗设备等多种应用。在实际设计中，我们可以根据具体需求进行适当的调整和优化，你在设计类似电路时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享。