Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 9

25 июля

автоматизацияTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Луис Чоуе (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

Схема мониторинга аккумулятора с высокой токовой нагрузкой: 0…10 A, 0…10 кГц, 18 бит

Исходные данные к данной схеме представлены в таблицах 35 и 36.

Таблица 35. Исходные данные к расчету схемы мониторинга аккумулятора

Диапазон токов через токоизмерительные резисторы Выход INA, вход усилителя Вход АЦП Цифровой выход ADS8910B
MinCurrent = ±50 мА Out = ±10 мВ VoutDif = ±21,3 мВ 233H 56310,
3FDCBH – 5640
MaxCurrent = +10 A Out = ±2 В VoutDif = ± 4,3 В 1B851H 11272210
247AEH – 11272210

Таблица 36. Характеристики питания и ИОН

Источники питания и опорного напряжения
Vs Vee Vref Vcm
5,3 В <Vs <5,5 В 0 В 5 В 2,5 В

Описание схемы

Данная схема с однополярным питанием способна измерять ток, протекающий через токоизмерительный резистор, в диапазоне ±50 мА…±10 A (рисунок 46). Усилитель тока позволяет работать со входными синфазными напряжениями 0…75 В. Дифференциальный усилитель преобразует входной однополярный сигнал в выходной дифференциальный ±5 В. Дифференциальный сигнал поступает на АЦП последовательного приближения с частотой выборки до 1 MSPS. Изменяя номиналы компонентов, можно влиять на величину дифференциальных токов. Данная схема используется в различных приложениях, требующих точных измерений, в том числе – в системах мониторинга аккумуляторов, в тестовом оборудовании и в радиопередатчиках базовых станций.

Рис. 46. Схема мониторинга аккумулятора с высокой токовой нагрузкой

Рис. 46. Схема мониторинга аккумулятора с высокой токовой нагрузкой

Характеристики

Частотные и шумовые параметры схемы представлены в таблице 37.

Таблица 37. Частотные и шумовые параметры схемы мониторинга аккумулятора

Параметр Расчетное значение Значение, полученное при моделировании Измеренное значение
Ошибка установления входного сигнала АЦП > 1LSB > 38 мкВ 6,6 мкВ
Уровень шума (на входе АЦП) 221,8 мкВ (ср. кв.) 207,3 мкВ (ср. кв.) 227 мкВ (ср. кв.)
Полоса пропускания 10,6 кГц 10,71 кГц 10,71 кГц

Рекомендуем обратить внимание:

  • Расчет сопротивления токоизмерительного резистора и выбор усилителя тока выполняется с учетом исходных данных: диапазона измеряемых токов и синфазного напряжения. Подробнее этот вопрос рассматривается в разделе «Расчет схемы».
  • Коэффициент усиления дифференциального усилителя определяется исходя из диапазона выходных напряжений усилителя тока, допустимого диапазона входных напряжений АЦП и диапазона выходных напряжений самого дифференциального усилителя. Подробнее этот вопрос рассматривается в разделе «Расчет схемы».
  • Для уменьшения искажений сигнала следует использовать керамические COG-конденсаторы.
  • Для обеспечения высокой точности измерений, низкого дрейфа коэффициента усиления и минимального уровня искажений сигнала следует использовать пленочные резисторы с разбросом номинала 0,1% и температурной стабильностью 20 ppm/°C или с лучшими характеристиками.
  • В серии обучающих видео «TI Precision Labs – ADCs», находящихся на сайте Texas Instruments, раскрывается методика расчета погрешностей в схемах с АЦП. Для уменьшения погрешностей, связанных с дрейфом коэффициента усиления, смещением, температурным дрейфом и шумами, следует ознакомиться с видео из раздела «Error and Noise».
  • В серии обучающих видео «TI Precision Labs – ADCs» раскрывается методика выбора компонентов фильтра Rfilt и Cfilt. Номиналы этих компонентов зависят от полосы пропускания усилителя, частоты дискретизации и типа АЦП. Значения, полученные при расчете рассматриваемой схемы, позволяют получить хорошие динамические и частотные характеристики для усилителя, параметров усиления и АЦП. При изменении исходных параметров схемы следует произвести повторный расчет компонентов RC-фильтра. Обучающее видео «Introduction to SAR ADC Front-End Component» содержит информацию по расчету компонентов RC-фильтра с учетом требуемых динамических и частотных характеристик.

Расчет схемы

Рассчитаем номинал токоизмерительного резистора и коэффициента усиления усилителя тока (ток может протекать в двух направлениях):

$$R_{sh}=\frac{V_{sh(max)}}{I_{load(max)}}=\frac{100\:мВ}{100\:А}=0.01\:Ом\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Рассчитаем диапазон выходных напряжений усилителя тока.

Выходное напряжение усилителя определяется по формуле:

$$V_{INA\_out}=G_{INA}\times \left(I_{load}\times R_{sh} \right)\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Схема должна измерять ток, протекающий в обоих направлениях. Так как усилитель тока использует однополярное питание, то используется дополнительное смещение Vref/2. В результате формула (2) принимает вид:

$$V_{INA\_outmax}=G_{INA}\times \left(I_{load(max)}\times R_{sh} \right)+\frac{V_{ref}}{2}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Тогда выходное напряжение при максимальном прямом входном токе:

$$V_{INA\_outmax(+)}=G_{INA}\times \left(I_{load(max)(+)}\times R_{sh} \right)+\frac{V_{ref}}{2}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Выходное напряжение при максимальном обратном входном токе:

$$V_{INA\_outmax(-)}=G_{INA}\times \left(I_{load(max)(-)}\times R_{sh} \right)+\frac{V_{ref}}{2}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Усилитель INA240A1 имеет коэффициент усиления 20 В/В. Значение Токового шунта было найдено в формуле 1. Тогда из формул (4) и (5) можно найти нижнюю и верхнюю границы диапазона напряжений на выходе усилителя тока.

Выходное напряжение при максимальном прямом входном токе 10 А:

$$V_{INA\_outmax(+)}=G_{INA}\times \left(I_{load(max)(+)}\times R_{sh} \right)+\frac{V_{ref}}{2}=20\frac{В}{В}\times 10\:А\times 0.01\:Ом+2.5\:В=4.5\:В$$

Выходное напряжение при максимальном обратном входном токе -10 А:

$$V_{INA\_outmax(-)}=G_{INA}\times \left(I_{load(max)(-)}\times R_{sh} \right)+\frac{V_{ref}}{2}=20\frac{В}{В}\times -10\:А\times 0.01\:Ом+2.5\:В=0.5\:В$$

Определим диапазон входных напряжений для АЦП:

$$ADC_{FullScaleRange}=\pm V_{ref}=\pm 5\:В$$

Определим минимальное и максимальное напряжение на выходе дифференциального усилителя:

0,23 В < Vout < 4,77 В (диапазон линейной работы THS4551)

$$V_{out\_FDA\_max}=4.77\:В-0.23\:В=4.54\:В\:(макс.\:напряжение\:на\:выходе\:дифференциального\:усилителя)\\V_{out\_FDA\_min}=-V_{out\_FDA\_max}=-4.54\:В\:(мин.\:напряжение\:на\:выходе\:дифференциального\:усилителя)$$

Рассчитаем коэффициент усиления дифференциального усилителя, с учетом данных полученных ранее.

$$GAIN=\frac{V_{out\_FDA\_max}-V_{out\_FDA\_min}}{V_{INA\_outmax}-V_{INA\_outmin}}=\frac{4.54\:В-(-4.54\:В)}{4.5\:В-0.5\:В}=2.27\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Если коэффициент усиления будет больше, чем 2,27 В (например, из-за разброса номиналов резисторов), то выходной сигнал дифференциального усилителя выйдет за границы входного диапазона АЦП. Выберем значение коэффициента усиления с небольшим запасом: GAIN = 2,15 В/В.

Выберем номиналы резисторов обратной связи дифференциального усилителя, исходя из значения коэффициента усиления, полученного предыдущем пункте:

$$GAIN=\frac{R_{f}}{R_{g}}=2.15\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Зададим Rg = 1 кОм. Преобразуя формулу 7 относительно Rf получаем (формула 8):

$$R_{f}=R_{g}\times GAIN=1\:кОм\times 2.15\frac{В}{В}=2.15\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Рассчитаем номиналы компонентов фильтра RfINA и CfINA с учетом частоты среза (формула 9):

$$C_{fINA}=\frac{1}{2\pi \times f_{C}\times R_{fINA}}\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Выберем RfINA= 10 кОм, тогда (формула 10):

$$C_{fINA}=\frac{1}{2\pi \times f_{C}\times R_{fINA}}=\frac{1}{6.28 \times 10\:кГц \times 10\:кОм}=1.591\:нФ\approx 1.5\:нФ\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Проверим фактическую расчетную величину частоты среза (формула 11):

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \times C_{fINA}\times R_{fINA}}=\frac{1}{6.28 \times 1.5\:нФ \times 10\:кОм}=10.6\:кГц\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Передаточные характеристики по постоянному току

На рисунке 47 представлена зависимость выходного напряжения от входного тока в диапазоне -10…+10 A.

Рис. 47. Зависимость выходного напряжения от входного тока в диапазоне -10…10 А

Рис. 47. Зависимость выходного напряжения от входного тока в диапазоне -10…10 А

Передаточные характеристики по переменному току

Значения, полученные при выполнении прототипирования, оказываются достаточно близки к результатам, полученным при расчете и при моделировании (рисунок 48).

Рис. 48. Частотная характеристика схемы

Рис. 48. Частотная характеристика схемы

Моделирование шумовых характеристик

Проведенный шумовой анализ является достаточно грубым. Поскольку основным источником шума является усилитель тока INA240, то вклад остальных источников шума, в частности – буфера OPA320 и THS4521, при анализе не учитывался. Тепловой шум резисторов ослабляется на частотах выше 10,6 кГц, поэтому его влияние также не учитывалось.

Стоит отметить, что результаты расчета соответствуют результатам моделирования (рисунок 49). Для ознакомления с теорией и методикой расчета шумов в схемах с ОУ следует обратиться к обучающему видео «Op Amps: Noise 4», размещенному на сайте TI. Для получения информации по расчету шумов в схемах с АЦП необходимо обратиться к документации «Calculating Total Noise for ADC Systems».

Рис. 49. Зависимость общего уровня шума от частоты

Рис. 49. Зависимость общего уровня шума от частоты

Моделирование отклика схемы

На рисунке 50 представлены результаты моделирования отклика схемы при подаче токового импульса 10 А (дифференциальный сигнал на входе АЦП +4,3 В). Данный вид моделирования необходим для оценки правильного выбора схемы выборки-хранения. Для получения дополнительной информации по этому вопросу следует обратиться к документу «Final SAR ADC Drive Simulations».

Рис. 50. Моделирование отклика схемы при подаче токового импульса 10 А

Рис. 50. Моделирование отклика схемы при подаче токового импульса 10 А

Используемые компоненты

Описание компонентов, используемых в схеме, приведено в таблице 38.

Таблица 38. Описание компонентов, используемых в схеме

Наименование Основные характеристики
ADS8910B 18-битный АЦП, частота дискретизации 1 Msps, встроенный буфер ИОН, полностью дифференциальный вход, диапазон напряжения внешнего ИОН Vref 2,5…5 В
INA240 Биполярный усилитель тока с нулевым дрейфом. Точность КУ 0,20%, усиление 20 В/В, диапазон синфазных напряжений –4…80 В
THS4551 Дифференциальный усилитель, полоса пропускания 150 МГц, выход Rail-to-Rail, Vos Drift Max = 1,8 мкВ/°C, шум 3,3 нВ/√Гц
OPA320 Операционный усилитель. Полоса пропускания 20 МГц, выход Rail-to-Rail, Vos Max = ±150 мкВ, Vos Drift Max = ±5,0 мкВ/°C, шум 7 нВ/√Гц
REF5050 ИОН. Дрейф 3 ppm/°C, начальная точность 0,05%, шум 4 мкВpp/В

Примечание

Внешний источник опорного напряжения REF5050 может быть напрямую подключен к ADS8910B без дополнительного буфера, так как у этого АЦП имеется свой встроенный буфер для ИОН. REF5050 отличается низким уровнем шума и обладает минимальным дрейфом, что важно для прецизионных схем с АЦП последовательного приближения. Усилитель тока INA240 имеет широкий диапазон входных синфазных напряжений и обеспечивает малые значения погрешности коэффициента усиления. Дифференциальный усилитель THS4551 обладает широкой полосой пропускания и успевает перезаряжать входную емкость АЦП при быстром изменении входных сигналов, по этой причине THS4551 часто используют в быстродействующих схемах с дифференциальными АЦП последовательного приближения. Усилитель OPA320 необходим для предотвращения искажений и буферизации сигналов с выхода INA240 перед их подачей на дифференциальный 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
  8. Входной узел для обработки сигналов с большими значениями синфазной и дифференциальной составляющих

Перевел Вячеслав Гавриков 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
THS4551IRGTR (TI)
THS4551RGTEVM (TI)
THS4551DGKEVM (TI)
THS4551IRGTT (TI)
INA240A1DR (TI)
INA240A1QDRQ1 (TI)
INA240A2EDRQ1 (TI)
INA240A2QPWRQ1 (TI)
THS4521IDGKT (TI)
THS4521ID (TI)
THS4521 (TI)
THS4521IDGK (TI)
ADS8910BEVM-PDK (TI)
ADS8910BRGER (TI)
ADS8910BRGET (TI)