Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 8

10 июля

учёт ресурсовмедицинаответственные применениялабораторные приборыинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Дейл Ли (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

Входной узел для обработки сигналов с большими значениями синфазной и дифференциальной составляющих 

Описание схемы

Такие устройства, как, например, многофункциональные реле, датчики напряжения промышленной сети или системы управления железнодорожного транспорта, как правило, работают с дифференциальными сигналами, амплитуда и абсолютный (относительно общего провода) потенциал которых значительно превосходят диапазон рабочих напряжений АЦП. В этой главе приведен один из вариантов реализации узла, позволяющего оцифровывать подобные сигналы с помощью обычного АЦП последовательного приближения. В предлагаемой схеме (рисунок 39) прецизионный операционный усилитель осуществляет согласование высокоуровневого входного дифференциального сигнала со входом АЦП, причем коэффициент передачи узла на ОУ рассчитан таким образом, чтобы амплитуда сигнала на входе АЦП находилась в пределах ±10 В.

Рис. 39. Схема входного узла АЦП

Рис. 39. Схема входного узла АЦП

Исходные данные для расчета данной схемы приведены в таблицах 31 и 32, а технические характеристики – в таблице 33. При необходимости параметры элементов могут быть скорректированы под конкретные значения амплитуд синфазной и дифференциальной составляющих входного сигнала, а также – с учетом требований к динамическим характеристикам, частотному диапазону и прочим особенностям конкретного приложения.

Таблица 31. Параметры рабочих сигналов

Вход схемы Вход АЦП Выход (оцифрованный сигнал)
VinDiffMin = -20 В CH_x = +10 В 7FFFH (32767)
VinDiffMax = +20 В CH_x = -10 В 8000H (32768)

Таблица 32. Параметры источников питания

AVDD DVDD VCC (HVDD) VSS (HVSS)
5,0 В 3,3 В +15 В -15 В

Таблица 33. Технические характеристики узла

Параметр OPA827
(расчетное)
OPA827
(модель)
OPA192
(расчетное)
OPA192
(модель)
Диапазон изменения входного сигнала (при Vdif = ±20 В), В ±26 ±26 ±35 ±35
Ошибка оцифровки АЦП < 1/2LSB
(< 152 мкВ)
0,002 LSB
(0,568 мкВ)
< 1/2LSB
(< 152 мкВ)
0,006 LSB
(1,86 мкВ)
Величина фазового смещения > 45° 67,1° > 45° 68,6°
Уровень шума на входе АЦП, мкВ (среднеквадратичное значение) 14,128 15,88 5,699 6,44

Рекомендуем обратить внимание:

  • Требуемый коэффициент усиления узла на основе операционного усилителя необходимо определять на основе параметров реального входного сигнала и с учетом возможностей АЦП, как описано в разделе «Выбор компонентов».
  • Допустимый диапазон изменения входного синфазного сигнала определяется по методике, приведенной в разделе «Выбора компонентов».
  • В рассматриваемой схеме амплитуда синфазной составляющей входного сигнала может принимать любые значения в диапазоне VInputCM. Пример расчета данного параметра для операционных усилителей OPA827 и OPA192 приведен в разделе «Выбор компонентов».
  • Конденсаторы COG следует выбирать по критерию минимального уровня искажений.
  • Для обеспечения требуемой точности оцифровки необходимо использовать пленочные резисторы с точностью 0,1% и температурным коэффициентом сопротивления 20 ppm/°C или выше. Чтобы минимизировать величины ошибок усиления, смещения и оцифровки, обратите внимание на анализ статистических характеристик схемы.
  • При выборе компонентов коррекции частотной характеристики операционного усилителя следует руководствоваться требованиями к динамическим характеристикам системы. Значения Rfilt и Cfilt зависят от схемотехники узла сопряжения, рабочей полосы частот входного сигнала, а также частоты дискретизации АЦП. В приведенном примере показан один из наилучших вариантов реализации данной цепочки, однако при необходимости, например, при изменении схемы узла сопряжения, возможно, придется использовать другой RC-фильтр.

Выбор компонентов

  • Определим необходимый коэффициент передачи по напряжению узла на ОУ по формуле 1:

$$Gain_{OPA}=\frac{\pm V_{ADC(range)}}{\pm V_{DifIn(range)}}=\frac{\pm 10\:В}{\pm 20\:В}=0.5\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Этот же коэффициент определяется соотношением номиналов резисторов Rf/Rg в цепи отрицательной обратной связи, которые можно рассчитать, например, используя шаблоны в разделе «Усилитель и компаратор\Расчет коэффициента усиления» («Amplifier and Comparator\Find Amplifier Gain») Инженерного калькулятора для аналоговых схем (Analog Engineer’s Calculator). При использовании номиналов резисторов из стандартного ряда, получим формулу 2:

$$Gain_{OPA}=\frac{R_{f}}{R_{g}}=\frac{5.05\:кОм}{10.1\:кОм}=0.5\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Определим минимальное и максимальное напряжение на входе операционного усилителя (рабочий диапазон синфазного напряжения Vcm_amp). Согласно технической документации на ОУ OPA827, величины синфазных напряжений на его входах Vcm_opa должны находиться в диапазоне (формула 3):

$$V_{-}+3\:В < V_{cm\_opa} < V_{+}-3\:В\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

При напряжении питания V+ = 15 В и V = -15 В получим формулу 4:

$$-12\:В < V_{cm\_opa} < +12\:В\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

    • Рабочий диапазон синфазного напряжения для выбранной схемы можно определить с помощью формулы 5:

$$V_{cm\_opa}=\left(V_{InputCM}\pm \frac{V_{dif}}{2} \right)\times \left(\frac{R_{f}}{R_{f}+R_{g}} \right);\\V_{cm\_opaMin}\times \left(\frac{R_{f}+R_{g}}{R_{f}} \right)+\frac{V_{dif}}{2} < V_{InputCM} < V_{cm\_opaMax}\times \left(\frac{R_{f}+R_{g}}{R_{f}} \right)-\frac{V_{dif}}{2},\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

где Vcm_opa – напряжение на входе ОУ, VInputCM и Vdif – соответственно, синфазное и дифференциальное напряжение входного сигнала (рисунок 39).

      • Определим рабочий диапазон синфазного напряжения VInputCM. Для ОУ OPA827 при амплитуде входного сигнала ±20 В оно будет находиться в диапазоне ±26 В:

$$V_{cm\_opaMin}\times \left(\frac{R_{f}+R_{g}}{R_{f}} \right)+\frac{V_{dif}}{2} < V_{InputCM} < V_{cm\_opaMax}\times \left(\frac{R_{f}+R_{g}}{R_{f}} \right)-\frac{V_{dif}}{2}\Rightarrow\\\Rightarrow -12\:В \times \left(\frac{5.05\:кОм+10.1\:кОм}{5.05\:кОм} \right)+\frac{20\:В}{2} < V_{InputCM} < 12\:В \times \left(\frac{5.05\:кОм+10.1\:кОм}{5.05\:кОм} \right)-\frac{20\:В}{2}\Rightarrow\\\Rightarrow -26\:В < V_{InputCM} < 26\:В$$

Выход синфазного напряжения за пределы этого диапазона приведет к увеличению уровня искажений. Значение VInputCM во многом зависит от технических характеристик ОУ. Так, например, при использовании микросхемы OPA192 синфазное напряжение может находиться в диапазоне ±35 B. Расширить рабочий диапазон можно также путем увеличения напряжения питания, например, с ±15 В до ± 18 В.

        • Определим емкость конденсатора Cf. Данная схема рассчитывается на полосу пропускания с максимальной частотой 10 кГц. При необходимости ее можно изменить, однако при этом следует пересчитать также номиналы элементов фильтра нижних частот Cfilt и Rfilt на входе АЦП (формула 6):

$$C_{f}=\frac{1}{2\pi \times R_{f}\times f_{C}}=\frac{1}{6.28 \times 5.05\:кОм \times 10\:кГц}=3.1\:нФ\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Выбираем конденсатор с емкостью 3 нФ.

      • Определим значение фильтра нижних частот Cfilt и Rfilt с помощью программы TINA SPICE и методов, описанных на странице «Особенности выбора компонентов для АЦП последовательного приближения» (“Introduction to SARADC Front-End Component Selection”) официального сайта Texas Instruments. Номиналы элементов Cfilt и Rfilt для выбранной схемы показаны на рисунке (рисунке 39). При необходимости, например, при использовании другого ОУ или для другой ширины полосы пропускания, их также можно пересчитать с помощью калькулятора TINA SPICE.

Передаточные характеристики по постоянному току узла на ОУ

Расчетная зависимость напряжения на выходе ОУ от величины дифференциального напряжения показана на рисунке 40. Как видно из графика, рабочий диапазон входного напряжения -20…+20 В находится в пределах линейного участка. Для более глубокого понимания всех особенностей расчета данной диаграммы можно ознакомиться со статьей «Определение линейного диапазона усиления АЦП последовательного приближения с операционными усилителями на входе» («Determining a SARADC’s Linear Ranges When Using Operational Amplifiers»).

Рис. 40. Результаты расчета коэффициента передачи по постоянному току

Рис. 40. Результаты расчета коэффициента передачи по постоянному току

Амплитудно-частотная характеристика узла на ОУ

Особенности построения амплитудно-частотных характеристик операционных усилителей подробно рассмотрены в обучающем видео «Операционные усилители: полоса пропускания, Часть 1» («Op Amps: Bandwidth 1»), доступном на сайте Texas Instruments. Результаты расчета, выполненные по данной методике, приведены на рисунке 41. Как видно из графиков, изображенных на данном рисунке, верхняя граница полосы пропускания полученной схемы равна 10,58 кГц, а коэффициент передачи операционного усилителя в рабочей полосе частот равен -6,038 дБ, что соответствует 0,5 В/В.

Рис. 41. Результаты расчета амплитудно-частотная характеристики

Рис. 41. Результаты расчета амплитудно-частотная характеристики

Переходные характеристики АЦП

Результаты моделирования отклика системы «ADS8568 + OPA827» на импульсный сигнал при максимальной скорости выборки АЦП 510000 выб/с показаны на рисунке 42. Как видно из графиков, при амплитуде дифференциального входного сигнала 20 В погрешность оцифровки младшего разряда (½ LSB) не превышает 152 мкВ, это означает, что профиль работы АЦП выбран правильно. При необходимости более глубокого изучения особенностей настройки АЦП данного типа можно ознакомиться, посмотрев обучающее видео «Особенности выбора компонентов для АЦП последовательного приближения» («Introduction to SARADC Front-End Component Selection»).

Рис. 42. Результаты моделирования отклика системы на импульсный сигнал системы «ADS8568 + OPA827»

Рис. 42. Результаты моделирования отклика системы на импульсный сигнал системы «ADS8568 + OPA827»

Аналогичным образом были получены результаты моделирования отклика системы при использовании ОУ OPA192 (рисунок 43). Как видно из графиков, при использовании данной микросхемы погрешность оцифровки младшего разряда (½ LSB) при частоте выборок 200000 выб/с аналогична, и не превышает 152 мкВ. Это означает, что данный усилитель также можно с успехом использовать для решения поставленной задачи.

Рис. 43. Результаты моделирования отклика системы на импульсный сигнал системы «ADS8568 + OPA192»

Рис. 43. Результаты моделирования отклика системы на импульсный сигнал системы «ADS8568 + OPA192»

Расчет шумовых характеристик

Рассмотрим пример расчета уровня шума с учетом шумовых характеристик использованных резисторов. Расчет был выполнен не только в рабочей полосе частот (для частот меньше fc, при которой коэффициент усиления noise Gain = 1,5), но и за ее пределами (для частот выше fc и коэффициенте усиления noise Gain = 1).

В последующих расчетах вы увидите, что основным источником шума является операционный усилитель, и шумом, вносимым резисторами, можно пренебречь. Однако в общем случае шумы резисторов необходимо обязательно учитывать, поскольку они могут вносить значительный вклад в общий уровень искажений системы. При необходимости, для более глубокого понимания методики расчета шумовых параметров можно ознакомиться с материалами «Расчет общего шума систем на основе АЦП» («Calculating the Total Noise for ADC Systems») и «Операционные усилители: Шум, часть 1» («Op Amps: Noise 1»).

Определяем полосу пропускания цепи обратной связи (формула 7):

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \times R_{f}\times C_{f}}=\frac{1}{6.28 \times 5.05\:кОм \times 3\:нФ}=10.6\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Определяем уровень шума на выходе ОУ OPA827 (для OPA827 спектральная плотность шума равна 3,8 нВ/√Гц), согласно формуле 8:

$$E_{n\_amp1}=e_{n\_827}\times \sqrt{K_{n}\times f_{C}}=3.8\frac{нВ}{\sqrt{Гц}}\times \sqrt{1.57\times 10.6\:кГц}=490\:нВ_{rms}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Определяем уровень шума, вносимого резисторами делителей напряжения в цепях инвертирующего (Rf1 и Rg1) и неинвертирующего (Rf2 и Rg2) входов ОУ (формула 9):

$$R_{eq}=R_{f}\parallel R_{g}=\frac{R_{f}\times R_{g}}{R_{f}+ R_{g}}=\frac{5.05\:кОм\times 10.1\:кОм}{5.05\:кОм + 10.1\:кОм}=3.37\:кОм;\\e_{n\_feedback}=\sqrt{4\times K_{n}\times T_{K}\times R_{eq}}=\sqrt{4\times 1.38\cdot 10^{-23}\times 298\times 3.37\:кОм}=7.4\frac{нВ}{\sqrt{Гц}};\\E_{n\_feedback}=e_{n\_feedback}\times \sqrt{K_{n}\times f_{C}}=7.4\frac{нВ}{\sqrt{Гц}}\times \sqrt{1.57 \times 10.6\:кГц}=0.955\:мкВ_{rms}\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Уровень шума, вносимого резисторами делителя напряжения в цепи неинвертирующего входа такой же, как и в цепи отрицательной обратной связи (формула 10):

$$E_{n\_input}=E_{n\_feedback}=0.955\:мкВ_{rms}\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Определяем общий уровень шума на выходе операционного усилителя (формула 11):

$$E_{n\_below\_fc}=G_{n}\times \sqrt{E_{n\_amp1}^2+E_{n\_feedback}^2+E_{n\_input}^2}\Rightarrow \\\Rightarrow E_{n\_below\_fc}=1.5\times \sqrt{(0.49\:мкВ)^2+(0.995\:мкВ)^2+(0.995\:мкВ)^2}=2.155\:мкВ_{rms}\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Определяем уровень шума за пределами полосы пропускания (выше частоты fc), учитывая наличие на выходе ОУ фильтра нижних частот (формула 12):

$$f_{output}=\frac{1}{2\pi \times R_{filt}\times C_{filt}}=\frac{1}{6.28\times 49.9\:Ом\times 370\:пФ}=8.6\:МГц;\\E_{n\_above\_fc}=e_{n\_827}\times \sqrt{K_{n}\times f_{output}}=2.8\frac{нВ}{\sqrt{Гц}}\times \sqrt{1.57 \times 8.6\:МГц}=13.963\:мкВ\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

Таким образом, общий уровень шума на входе АЦП будет равен (формула 13)

$$E_{n\_total}=\sqrt{E_{n\_below\_fc}^2+E_{n\_above\_fc}^2}=\sqrt{(2.155\:мкВ)^2+(13.963\:мкВ)^2}=14.128\:мкВ_{rms}\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$

Моделирование шума

Результаты моделирования уровня шума на входе АЦП (рисунок 44) показывают высокую точность проведенных расчетов. Так, например, при расчетном значении максимального уровня шума, равном 14,128 мкВ (СКЗ), реальный уровень шума, согласно результатам моделирования, не превышает 15,88 мкВ (СКЗ).

Рис. 44. Результаты моделирования шумовых характеристик системы

Рис. 44. Результаты моделирования шумовых характеристик системы

Исследование устойчивости системы

Вопросы определения стабильности узлов на основе операционных усилителей подробно освещены в обучающем видео «Операционные усилители: Стабильность, Часть 1» (Op Amps: Stability 1). Результаты моделирования стабильности полученной системы (рисунок 45) показывают, что при использовании ОУ OPA827 запас по фазе равен 67,1° при минимально необходимом 45°, таким образом, система стабильна.

Рис. 45. Результаты моделирования стабильности системы

Рис. 45. Результаты моделирования стабильности системы

Особенности использованных компонентов

Список использованных компонентов приведен в таблице 34. Ключевым элементом системы является микросхема АЦП ADS8568, содержащая встроенный источник опорного напряжения. В большинстве случаев точность этого АЦП достаточна для большинства практических применений. Однако при необходимости можно использовать более точный внешний источник опорного напряжения REF5050, который можно подключить напрямую к ADS8568, поскольку этот АЦП уже имеет специализированные интегрированные буферы для каждой пары каналов. Кроме повышенной точности, микросхема REF5050 обладает пониженными уровнями шума и дрейфа выходного напряжения, что делает ее идеальной для АЦП последовательного приближения повышенной точности. Для уменьшения общего уровня шума и достижения заявленных производителем высоких характеристик АЦП в цепях питания следует установить дополнительные блокировочные конденсаторы С1 и С2.

Таблица 34. Ключевые особенности использованных микросхем

Наименование Особенности
ADS8568 16-разрядный 8-канальный АЦП последовательного приближения с биполярными входами и одновременной выборкой семплов
OPA827 Малошумящий высокоточный операционный усилитель со входами на основе полевых транзисторов
OPA192 Высоковольтный прецизионный Rail-to-Rail операционный усилитель

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
  4. Цепь контроля высоковольтной аккумуляторной батареи на основе 18-разрядного дифференциального АЦП
  5. Схема преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный с использованием дифференциального усилителя
  6. Схема истинно дифференциального аттенюатора аналогового входного блока с высокоимпедансным входом для SAR АЦП
  7. Схема расширения диапазона входных напряжений на встроенном аналоговом входном блоке (AFE) SAR АЦП

Перевел Александр Русу 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
OPA827AID (TI)
OPA827AIDR (TI)
OPA827AIDG4 (TI)
OPA827AIDRG4 (TI)
OPA827AIDGKR (TI)
OPA192ID (TI)
OPA192IDGKT (TI)
OPA192IDBVR (TI)
OPA192IDR (TI)
OPA192IDBVT (TI)
ADS8568SRGCR (TI)
ADS8568EVM-PDK (TI)
ADS8568SRGCT (TI)
ADS8568SPM (TI)
ADS8568SPMR (TI)
REF5050ID (TI)
REF5050-EP (TI)
REF5050AIDGKT (TI)
REF5050IDR (TI)
REF5050AID (TI)