Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 13

26 сентября

медицинаавтоматизациялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

Синтия Соза (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

Уменьшение влияния внешнего RC-фильтра на погрешность и дрейф коэффициента усиления аналогового фронтэнда (AFE): ±10 В, до 200 кГц, 16 бит

Исходные данные к расчету схемы представлены в таблицах 50 и 51.

Таблица 50. Исходные данные к расчету схемы

Вход Вход АЦП Цифровой выход
VinMin = -10 В AIN-xP = -10 В -3276810
AIN-xGND = 0 В 8000H
VinMax = 10 В AIN-xP = 10 В 3276710
AIN-xGND = 0 В 7FFFH

Таблица 51. Характеристики питания

Источники питания
AVDD DVDD
5,0 В 5,0 В

Описание схемы

Схема, изображённая на рисунке 71, работает со входными напряжениями ±10 В. Входной RC-фильтр уменьшает уровень шумов и защищает АЦП ADS8588S от возможных перенапряжений. К сожалению, резисторы фильтра вносят дополнительную погрешность и дрейф коэффициента усиления входного канала AFE АЦП. В данной статье рассказывается, каким образом следует выбирать компоненты фильтра, чтобы уменьшить вносимую погрешность и снизить дрейф. Решение этой задачи имеет большое значение для таких приложений как многофункциональные реле, модули аналоговых AC-входов, блоки измерения температуры в системах HVAC. Статья описывает два метода корректировки результатов измерений: с начальной калибровкой и без нее. Как будет показано далее, калибровка позволяет свести к минимуму как погрешность усиления, вызванную внешними резисторами, так и собственную погрешность усиления AFE.

Рис. 71. Схема 16-битного АЦП с интегрированным AFE и внешним RC-фильтром

Рис. 71. Схема 16-битного АЦП с интегрированным AFE и внешним RC-фильтром

Характеристики

Ключевые параметры схемы представлены в таблице 52.

Таблица 52. Ключевые параметры схемы

Параметр Расчетное значение Измеренное значение
Ошибка усиления (25°C) 0,99% 0,99%
Ошибка усиления (125°C) 1,00% -1,1388%
Дрейф ошибки усиления 0,49 ppm/°C -0,8031 ppm/°C

Примечания

  • для уменьшения ошибки усиления и снижения дрейфа используйте высокостабильные резисторы REXT. В предлагаемой схеме применяются резисторы с начальной точностью ±0,1% и температурным коэффициентом сопротивления 25ppm/°C;
  • встроенный программируемый усилитель (PGA) имеет постоянный входной импеданс 1 МОм;
  • сопротивление резистора REXT оказывается пропорциональным вносимой погрешности;
  • калибровка позволяет минимизировать собственные и вносимые погрешности измерений;
  • в серии обучающих видео The TI Precision Labs раскрываются методы расчета ошибки усиления и смещения, а также способы борьбы с ними, в том числе с помощью калибровки. Видео Understanding and Calibrating the Offset and Gain for ADC Systems. Using SPICE Monte Carlo Tool for Statistical Error Analysis посвящено использованию метода Монте-Карло для статистического анализа погрешностей.

Расчет компонентов фильтра

Входной RC-фильтр снижает уровень шума и защищает схему от перенапряжений. Использование больших номиналов резисторов помогает ограничить входной ток. Кроме того, большие сопротивления позволяют получить низкую частоту среза, что крайне желательно для схем релейной защиты, так как они чаще всего работают с сигналами 50 или 60 Гц. Для эффективной фильтрации синфазных помех следует использовать резисторы с согласованными сопротивлениями на инвертирующем и на не инвертирующем входах. Для уменьшения дрейфа коэффициента усиления следует выбирать прецизионные резисторы с минимальной температурной зависимостью, например, резисторы с начальной точностью ±0,1% и температурным коэффициентом сопротивления 25ppm/°C.

  • Для эффективного подавления гармоник сигналов 50 и 60 Гц предлагается использовать частоту среза 320 Гц. Выбираем номинал резистора REXT:

REXT = 10 кОм.

  • Рассчитываем емкость конденсатора СEXT (формула 1)

$$C_{EXT}=\frac{1}{2\pi \times 2R_{EXT}\times f_{C}}=\frac{1}{6.28\times 2\times 10\:кОм\times 320\:Гц}=24.8\:нФ\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Выбираем ближайшее стандартное значение 24 нФ.

Расчет дрейфа коэффициента усиления

В данном разделе показывается, как рассчитать температурный дрейф коэффициента усиления, вызванный входным фильтром. Стоит отметить, что при правильном выборе номинала REXT вызываемая им погрешность и дрейф оказываются пренебрежимо малы по сравнению с собственным дрейфом AFE.

RIN = 1 МОм, REXT = 10 кОм, СEXT = 24 нФ.

  • Рассчитаем эффективное входное сопротивление AFE с учетом максимального отрицательного отклонения (-25ppm/°C) (формула 2)

$$R_{IN(-25ppm/{^\circ}C)}=R_{IN}\times \left[Drift(ppm/{^\circ}C)\times \delta T({^\circ}C)+1 \right]=1\:МОм \times \left[-25(ppm/{^\circ}C)\times (125-25)+1 \right]\\R_{IN(-25ppm/{^\circ}C)}=0.9975\:МОм\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитаем эффективное сопротивление REXT с учетом максимального положительного отклонения (25ppm/°C) (формула 3)

$$R_{EXT(+25ppm/{^\circ}C)}=R_{EXT}\times \left[Drift(ppm/{^\circ}C)\times \delta T({^\circ}C)+1 \right]=10\:кОм \times \left[+25(ppm/{^\circ}C)\times (125-25)+1 \right]\\R_{EXT(+25ppm/{^\circ}C)}=10.025\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитаем ошибку усиления, вносимую внешним резистором при комнатной температуре (формула 4).

$$GainError(R_{EXT})_{RoomTemp}=\frac{R_{EXT}}{R_{EXT}+R_{IN}}=\frac{10\:кОм}{10\:кОм+1\:МОм}=0.9901\%\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитаем ошибку усиления, вносимую внешним резистором при максимальной температуре (формула 5).

$$GainError(R_{EXT})_{125^{\circ}C}=\frac{R_{EXT}}{R_{EXT}+R_{IN}}=\frac{10.025\:кОм}{10.025\:кОм+0.9975\:МОм}=0.995\%\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитаем изменение ошибки усиления (формула 6):

$$GainError\_Drift(R_{EXT})=\frac{GainError(R_{EXT})_{RoomTemp}-GainError(R_{EXT})_{125^{\circ}C}}{\delta T}\times 10^6\\GainError\_Drift(R_{EXT})=\frac{0.09901-0.00995}{(125-25)}\times 10^6=-0.49\:ppm/^{\circ}C\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Максимальный собственный дрейф ADS8588S составляет ±14ppm/°C, что на два порядка больше, чем дрейф, вносимый внешним резистором фильтра. Низкое значение вносимого дрейфа определяется в первую очередь высокой стабильностью входного импеданса (25ppm/°C).

Для проверки расчетов и измерения реального дрейфа, вносимого внешним резистором фильтра, были проведены испытания с двумя типами входных сигналов. Напряжение входных сигналов были выбраны на расстоянии 0,5 В от верхней и нижней границ линейного диапазона АЦП (9,5 В и -9,5 В). Сигналы подавались на вход схемы при наличии и при отсутствии RC-фильтра. Кроме того, каждое измерение выполнялось при двух значениях температуры 25°С и 125°С. Ошибки усиления определялись с учетом известного входного сигнала. Изменение ошибки усиления при наличии и при отсутствии RC-фильтра определялось в соответствии с п. 5 предыдущего раздела.

Коррекция без калибровки

Коррекция без дополнительной калибровки подразумевает корректировку результатов измерений входного напряжения с учетом наличия резистора REXT, образующего со входным сопротивлением ФАУ резистивный делитель.

  • Подаем на вход схемы известный сигнал (9,5 В) и получаем результат измерения с АЦП (таблица 53).

Таблица 53.  Реальное входное напряжение и напряжение, измеренное АЦП

Vin Полученный код Эквивалентный сигнал
9,5 В 30841 9,412
  • Рассчитываем значение входного напряжения (формула 7)

$$V_{IN\_NoLoss}=V_{IN\_Equivalent}\times \frac{R_{EXT}+R_{IN}}{R_{IN}}=9.412\:В \times \frac{10\:кОм+1\:МОм}{1\:МОм}\\V_{IN\_NoLoss}=9.50612\:В\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Результаты коррекции без калибровки

Результаты коррекции представлены в таблице 54. Корректировка результатов измерений далеко не всегда приносит пользу. Например, из-за изменения входного импеданса AFE даже при комнатной температуре величина ошибки после выполнения коррекции может достигать 0,2456%.

Таблица 54.  Результаты измерений и погрешность после выполнения коррекции

Измерения при комнатной температуре (25°C)
Vin Код Сигнал Коррекция Ошибка %
9,5 30841 9,412 9,50612 0,0644
8,5 27594 8,421 8,50521 0,0613
5 16232 4,954 5,00354 0,0708
0 1 0 0
-5 -16230 -4,953 -5,002530 0,0506
-8,5 -27593 -8,421 -8,505210 0,0613
-9,5 -30839 -9,411 -9,505110 0,0538

Калибровка по двум точкам

Для выполнения калибровки по двум точкам на вход схемы подаются тестовые сигналы -9,5 В и 9,5 В. Полученные измерения используются для определения наклона и смещения передаточной характеристики. Калибровка устраняет как ошибку усиления, вызванную наличием внешнего резистора, так и собственную погрешность AFE.

  • Подаем на вход схемы известный сигнал (9,5 В) и получаем результат измерения с АЦП (таблица 55).

Таблица 55. Реальное входное напряжение и напряжение измеренное АЦП

Vmin Полученный код
-9,5 В -30839
  • Подаем на вход схемы известный сигнал (-9,5 В) и получаем результат измерения с АЦП (таблица 56).

Таблица 56. Реальное входное напряжение и напряжение измеренное АЦП

Vmax Полученный код
9,5 В 30841
  • Определяем наклон и смещение передаточной характеристики (формулы 8, 9)

$$m=\frac{Code_{Max}-Code_{Min}}{V_{Max}-V_{Min}}=\frac{30841-(-30839)}{9.5-(-9.5)}=3246.3158\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

$$b=Code_{Min}-m\times V_{Min}=-30839-3246.3\times (-9.5)=1.0001\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

  • Используем полученные данные для калибровки. Например, в точке 9,5 В (формула 10):

$$V_{IN\_Calibration}=\frac{Code-b}{m}=\frac{30841-1.0001}{3246.3158}=9.5000\:В\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Результаты коррекции с калибровкой по двум точкам

С учетом коэффициентов калибровки m = 3246,3158 и b = 1,0001 можно выполнить корректировку результатов измерений. Как видно из таблицы 57, без корректировки погрешность присутствует, но после выполнения коррекции она практически полностью исчезает.

Таблица 57. Погрешность после выполнения калибровки и коррекции практически отсутствует

Измерения при комнатной температуре (25°C)
Vin Код Некалиброванное значение Vin Калиброванное значение Vin Ошибка без калибровки % Ошибка после калибровки %
9,5 30841 9,412 9,5 -0,926316 -0,000001
8,5 27594 8,421 8,499789 -0,929412 -0,002480
5 16232 16232 4,999822 -0,920000 -0,003568
0 1 0 0
-5 -16230 -4,953 -4,999822 -0,0940000 -0,003567
-8,5 -27593 -8,421 -8,500097 -0,929412 0,001144
-9,5 -30839 -9,411 -9,500000 -0,936842 0

При увеличении температуры погрешность ожидаемо растет. Калибровка по двум точкам по-прежнему помогает бороться с погрешностью, но не устраняет ее полностью (таблица 58).

Таблица 58. Погрешность увеличивается с ростом температуры

Измерения при комнатной температуре (25°C)
Vin Код Некалиброванное значение Vin Калиброванное значение Vin Относительная ошибка без калибровки % Относительная ошибка после калибровки %
9,5 30826 9,407 9,495379 -0,978947 -0,048639
8,5 27582 8,417 8,496093 -0,976471 -0,045968
5 16224 4,951 4,997357 -0,980000 -0,052854
0 0 0 -0,000308 0
-5 -16224 -4,951 -4,997973 -0,980000 -0,040531
-8,5 -27581 -8,417 -8,496401 -0,976471 -0,042344
-9,5 -30826 -9,407 -9,495995 -0,978947 -0,042153

Используемые компоненты

Компоненты, используемые в схеме, приведены в таблице 59.

Таблица 59. Описание компонентов, используемых в схеме

Наименование Основные характеристики Ссылка на документацию
ADS8588S 16-битный высокоскоростной 8-канальный АЦП последовательного приближения с биполярными входами и однополярным питанием SBAS642

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
  9. Схема мониторинга аккумулятора с высокой токовой нагрузкой: 0…10 A, 0…10 кГц, 18 бит
  10. Усилитель с малым током смещения для АЦП последовательного приближения
  11. Усилительный каскад на инструментальном усилителе для АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах
  12. Усилительный каскад на буферном инструментальном усилителе для АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах

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
ADS8588SIPM (TI)
ADS8588SIPMR (TI)
ADS8588HIPM (TI)
ADS8588HIPMR (TI)