Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 4

10 апреля

учёт ресурсовмедицинаответственные применениялабораторные приборыинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Брайан Маккей, Артур Кей (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Многим уже знаком аналогичный цикл об операционных усилителях. Но АЦП – не менее важная часть сигнального тракта, а секретов и тонкостей в его применении никак не меньше. Приведены конкретные схемотехнические примеры, пошаговые инструкции с формулами, позволяющими адаптировать схему к конкретному проекту. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Для каждой схемы рекомендован как минимум один АЦП производства TI, однако разработчик может использовать и другие изделия компании, широкий выбор которых представлен на страницах каталога КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы АЦП. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно.

Подписаться на уведомления о публикации новых глав

Цепь контроля высоковольтной аккумуляторной батареи на основе 18-разрядного дифференциального АЦП

Исходные данные к описываемому решению представлены в таблицах 13 и 14

Таблица 13. Входные и выходные параметры схемы контроля аккумуляторной батареи

Входной сигнал Входной сигнал АЦП Цифровой выход ADS8910
VinMin = -20 В VoutDif = 4,8 В, VoutP = 4,9 В, VoutN = 0,1 В 1EB85H или 12582910
VinMax = 20 В VoutDif = 4,8 В, VoutP = 4,9 В, VoutN = 0,1 В 2147BH или -12582910

Таблица 14. Параметры источников питания схемы контроля аккумуляторной батареи

Источники питания
Vcc Vee Vref Vcm
5,3 В 0 В 5 В 2,5 В

Описание решения

Данная схема (рисунок 16) передает входной биполярный сигнал ±20 В на дифференциальный вход полностью дифференциального АЦП в диапазоне ±4,8 В, что находится в пределах линейного диапазона усилителей. Значения в разделе выбора компонентов могут быть скорректированы с учетом различных уровней входного напряжения.

Рис. 16. Схема контроля аккумуляторной батареи

Рис. 16. Схема контроля аккумуляторной батареи

Данная реализация схемы применима в устройствах точного измерения напряжения, таких как анализаторы аккумуляторных батарей, оборудование для тестирования аккумуляторов, ATE и выносные радиоблоки (RRU) в беспроводных базовых станциях. 

Таблица 15. Спецификации упрощенной версии схемы контроля

Спецификации Расчетное значение Смоделированное значение Измеренное значение
Ошибка установления входного сигнала АЦП (LSB – единица младшего разряда) <0,5 LSB или 19 мкВ 6,6 мкВ
Шум 20,7 мкВ ср. квадр. 20,65 мкВ ср. квадр. 30,8 мкВ ср. квадр.
Полоса пропускания 10,2 кГц 10,4 кГц 10,4 кГц

Рекомендуем обратить внимание

  1. Определите линейный диапазон операционного усилителя на основе характеристик синфазного сигнала, размаха выходного напряжения и линейного коэффициента усиления напряжения. Это описано в разделе выбора компонентов.
  2. В качестве конденсаторов на пути прохождения измерительного сигнала используйте конденсаторы COG для минимизации искажений. В данном примере конденсаторы Cf1, Cf2, Cf3, Cf4, Cfilt1 и Cfilt2 должны быть типа COG.
  3. Используйте пленочные резисторы 0,1% 20ppm/°C или выше для снижения дрейфа коэффициента усиления и для минимизации искажений.
  4. Серия видеороликов от PrecisionLabs посвящена методам анализа ошибок. Рекомендуем ознакомиться с видео “Statistics Behind Error Analysis”, чтобы узнать, как минимизировать ошибки усиления, смещения, дрейфа усиления и улучшить шумовые характеристики.
  5. Серия обучающих видеороликов “TI Precision Labs – ADCs” посвящена методам выбора элементов для цепи фильтра Rfilt и Cfilt. Данные параметры компонентов зависят от полосы пропускания усилителя, частоты дискретизации преобразователя данных и конструкции самого преобразователя. Приведенные здесь значения позволяют получить хорошие показатели установления сигнала и динамические характеристики для выбранных моделей усилителя и АЦП. В случае изменения дизайна выберите другой RC-фильтр. Ознакомьтесь с обучающим видео «Введение в выбор компонентов для входных каскадов SAR АЦП», в котором представлена дополнительная информация по выбору RC-фильтра для получения наилучших характеристик по установлению сигнала и переменному току.

Выбор компонентов

  • Общая формула 1 для этой схемы выглядит следующим образом:

$$V_{outMinOpa}=\frac{V_{outDifMin}}{2}+V_{cm};\:V_{outMaxOpa}=\frac{V_{outDifMax}}{2}+V_{cm};\\V_{outDif}=V_{inDif}\times Gain_{Dif};\:Gain_{Dif}=2\times \frac{R_{f}}{R_{g}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Определите максимальное и минимальное выходное напряжение операционного усилителя в линейном режиме:
  • -0,1 В < Vcm < 5,1 В из спецификации OPA320 Vcm;
  • 0,035 В < Vout < 4,965 В из спецификации OPA320 по размаху выходного напряжения Vout;
  • 0,1 В < Vout < 4,9 В из спецификации OPA320 по коэффициенту усиления линейного напряжения;
  • 0,1 В < Vout < 4,9 В комбинированный наихудший случай;
  • Преобразуйте выражение из части 1 и решите для VoutDifMin и VoutDifMax. Найдите максимальное и минимальное дифференциальное выходное напряжение для наихудшего случая из предыдущего пункта (формула 2):

$$V_{outDifMax}=2\times V_{outMaxOpa}-2\times V_{cm}=2\times 4.9\:В-2\times 2.5\:В=4.8\:В\\V_{outDifMin}=2\times V_{outMinOpa}-2\times V_{cm}=2\times 0.1\:В-2\times 2.5\:В=-4.8\:В\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Определите дифференциальное усиление по результатам предыдущего пункта (формула 3):

$$Gain=\frac{V_{outDifMax}-V_{outDifMin}}{V_{inDifMax}-V_{inDifMin}}=\frac{(4.8\:В)-(-4.8\:В)}{(20\:В)-(-20\:В)}=0.24\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Определите стандартные номиналы резисторов для дифференциального усиления. Воспользуйтесь Калькулятором аналогового инженера (раздел «Усилитель и компаратор\Определить усиление усилителя»), чтобы найти стандартные значения для отношения Rf/Rg (формула 4).

$$\frac{Gain_{Dif}}{2}=\frac{R_{f}}{R_{g}}=\frac{0.24}{2}=0.12;\\\frac{R_{f}}{R_{g}}=\frac{12\:кОм}{100\:кОм}=0.12\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  1. Определите Cf для частоты среза (формула 5).

$$f=\frac{1}{2\pi \times C_{f}\times R_{f}}=\frac{1}{6.28\times 1.3\:нФ\times 12\:кОм}=10.2\:кГц;\\C_{f}=\frac{1}{2\pi \times f_{C}\times R_{f}}=\frac{1}{6.28\times 10\:кГц\times 12\:кОм}=1.326\:нФ\approx 1.3\:нФ\:(номинал)\\f=\frac{1}{2\pi \times C_{f}\times R_{f}}=\frac{1}{6.28\times 1.3\:нФ\times 12\:кОм}=10.2\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Передаточные характеристики по постоянному току

На графике, изображенном на рисунке 17, показана зависимость выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения с -20 В до +20 В. Ознакомьтесь с «Определением линейного диапазона SAR АЦП при использовании операционных усилителей» для получения подробной информации по этому вопросу.

Рис. 17. Зависимость выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения с -20 В до +20 В

Рис. 17. Зависимость выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения с -20 В до +20 В

Передаточные характеристики по переменному току

Полоса пропускания моделируется равной 10,4 кГц при коэффициенте усиления -12,4 дБ, что является линейным коэффициентом усиления 0,12 (рисунок 18). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеороликом «Операционный усилители: Bandwidth 1». 

Рис. 18. Полоса пропускания

Рис. 18. Полоса пропускания

Моделирование установления входного сигнала АЦП

Следующее моделирование показывает установление входного сигнала на значение -20 В постоянного напряжения (рисунок 19). Данный тип моделирования показывает, что схема семплирования и удержания обратного сигнала выбрана правильно. Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Introductionto SAR ADC Front-EndComponentSelection”. 

Рис. 19. Установление входного сигнала на значение -20 В постоянного напряжения

Рис. 19. Установление входного сигнала на значение -20 В постоянного напряжения

Моделирование шума

Расчет шума для приблизительной оценки производится по формуле 6. В приведенных вычислениях мы пренебрегаем шумом резистора, поскольку он затухает при частотах выше 10 кГц.

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \times R_{filt}\times C_{filt}}=\frac{1}{6.28 \times 47.5\:Ом \times 1.2\:нФ}=2.8\:МГц;\\E_{n\_se}=e_{n320}\times \sqrt{K_{n}\times f_{C}}=(7\:нВ/\sqrt{Гц})\times \sqrt{(1.57)\times (2.8\:МГц)}=14.7\:\mu V_{rms};\\E_{n\_tot}=\sqrt{E_{n\_se}^2+E_{n\_se}^2}=\sqrt{(14.7\:\mu V_{rms})^2+(14.7\:\mu V_{rms})^2}=20.7\:\mu V_{rms},\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

где En_se –  шум для несимметричного входа, En_tot – общий шум для дифференциального усилителя.

Обратите внимание, что рассчитанные и смоделированные значения совпадают (рисунок 20). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией «Calculating the Total Noisefor ADC Systems”. 

Рис. 20. Рассчитанные и смоделированные значения шума

Рис. 20. Рассчитанные и смоделированные значения шума

Мера БПФ

Данная характеристика была измерена на модифицированной версии ADS8910BEVM. Характеристики по переменному току показывают SNR = 99,4 дБ и THD = -116,4 дБ (рисунок 21). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Introduction to Frequency Domain”. 

Рис. 21. Мера БПФ

Рис. 21. Мера БПФ

Измерение шума

Следующие измерения проведены для схемы с подключением обоих входов к земле (рисунок 22). Гистограмма показывает смещение и шум системы. Стандартное отклонение в кодах задается через EVM GUI (0,81), и его можно использовать для расчета среднеквадратичного шума (30,9 мкВ среднеквадратичного значения), как следует из формулы 7.

$$LSB=\frac{FSR}{2^N}=\frac{10\:В}{2^{18}}=38.14\:мкВ;\\E_{n\_measured}=E_{nSigma}\times LSB=0.81\times 34.14\:мкВ=30.9\:\mu V_{rms}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Рис. 22. Измерения для схемы с подключением обоих входов к земле

Рис. 22. Измерения для схемы с подключением обоих входов к земле

Устройства, используемые в решении, приведены в таблице 16.

Таблица 16. Основные характеристики и особенности устройств, задействованных в решении

Наименование Основные характеристики Примечания
ADS8910B Разрешение 18 бит, частота дискретизации 1 Msps, встроенный эталонный буфер, полностью дифференциальный вход, диапазон входного сигнала Vref от 2,5 до 5 В.
OPA320 Полоса пропускания 20 МГц, полный размах напряжения с нулевым перекрестным искажением, VosMax = 150 мкВ, VosDriftMax = 5 мкВ/°C, интенсивность шума входного напряжения
en = 7 нВ/рГц
OPA320 также обычно используется в схемах с SAR (АЦП ПП) с частотой дискретизации 1 Msps, поскольку он имеет достаточную ширину полосы пропускания для установления обратных переходных процессов от входного сигнала АЦП. Кроме того, входной сигнал с амплитудой, равной напряжению питания и с нулевым перекрестным искажением обеспечивает линейный размах по большей части диапазона входного напряжения АЦП. Обычно используется в схемах с SAR с частотой дискретизации 1 Msps, поскольку он имеет достаточную полосу пропускания. OPA320 также обычно используется в схемах с SAR с частотой дискретизации 1 Msps, поскольку он имеет достаточную полосу пропускания.
REF5050 Дрейф 3 ppm/°C, начальная точность 0,05%,
шум 4 мкВpp/В
REF5050 может быть напрямую подключен к ADS8910B без какого-либо буфера, поскольку ADS8910B имеет встроенный буфер источника опорного напряжения. Кроме того, REF5050 обладает необходимым низким уровнем шума и дрейфа для применения в высокоточном оборудовании.

Проектные файлы для приведенной схемы.

Оригинал статьи.

Список ранее опубликованных глав

  1. Способ прямого согласования входа АЦП ПП (SAR) без буферного усилителя
  2. Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная несимметричная схема с двумя источниками питания на 3,3 В при 1 ksps
  3. Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная, несимметричная схема с одним источником питания на 3,3 В, 1 ksps

Перевел Александр Леонович по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
ADS8910BRGER (TI)
ADS8910BRGET (TI)
ADS8910BEVM-PDK (TI)
OPA320AIDBVT (TI)
OPA320AIDBVR (TI)
OPA320SAIDBVR (TI)
REF5050AID (TI)
REF5050AIDR (TI)
REF5050IDG4 (TI)
ADS8509HDB (TI)
ADS8509IBDBRG4 (TI)
ADS8509IBDWRG4 (TI)
ADS8506 (TI)
ADS8506IBDWRG4 (TI)
ADS8506IDWRG4 (TI)
ADS8505IBDBG4 (TI)
ADS8505IBDWG4 (TI)
ADS8505IDBG4 (TI)
ADS8168IRHBT (TI)
ADS8168EVM-PDK (TI)