Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 15

10 октября

учёт ресурсовавтоматизациялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Рид Качмарек (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

Измерительная схема на АЦП ADS8689 с изолированным SPI-интерфейсом

Исходные данные к расчету схемы представлены в таблицах 64 и 65.

Таблица 64. Исходные данные к расчету измерительной схемы

Вход Вход АЦП Цифровой выход ADS8689
VinMin = -12,288 В AIN_P = -12,288 В, AIN_N = 0 В 8000H или -3276810
VinMax = 12,288 В AIN_P = 12,288 В, AIN_N = 0 В 7FFFH или 3276710

Таблица 65. Характеристики питания

Источники питания и опорного напряжения
AVDD Vee Vdd
5 В 6,5 В 5 В

Описание схемы

На рисунке 83 представлена измерительная схема, построенная на базе АЦП последовательного приближения ADS8689 с SPI-интерфейсом. Гальваническая развязка схемы выполнена на уровне SPI-интерфейса с помощью цифрового изолятора ISO7741. Данная схема предназначена в первую очередь для создания изолированных аналоговых модулей, выполняющих измерение сигналов при очень больших синфазных напряжениях. Такое решение представляет интерес для программируемых логических контроллеров (ПЛК), модулей аналоговых входов, установок для снятия ЭКГ, оксиметров, мониторов состояния пациентов и многих промышленных приложений с токовой петлей 4…20 мА.

Рис. 83. Измерительная схема с изолированным цифровым интерфейсом

Рис. 83. Измерительная схема с изолированным цифровым интерфейсом

Об используемом в схеме малошумящем изолированном источнике питания 5 В, 100 мА будет рассказано в заключительной, 17 статье из данного цикла.

Характеристики

Ключевые параметры схемы представлены в таблице 66.

Таблица 66. Ключевые параметры схемы

Параметр Целевое значение Значение, полученное при моделировании
Частота SCLK, МГц 6,66 6,67
Частота дискретизации, ksps 100 100
Соотношение сигнал-шум (SNR), дБ 92 Мин.: 92,29; макс.: 92,46
Коэффициент нелинейных искажений, дБ -112 Мин.: -108,8; макс.: -111,38

Примечания

  • выбирайте АЦП с учетом диапазона входных напряжений, требуемой частоты измерений и разрешения. Подробнее об этом рассказывается в следующем разделе;
  • выбирайте цифровой изолятор с учетом необходимого уровня изоляции, а также с учетом количества и направления каналов. Подробнее об этом рассказывается в следующем разделе;
  • чтобы перейти от измерения входного напряжения к измерению тока, необходимо установить на входе шунтирующий резистор. Номинал этого измерительного резистора должен выбираться таким образом, чтобы напряжение на нем оставалось в рамках диапазона допустимых напряжений АЦП.

Выбор компонентов схемы

Выберите АЦП с учетом требуемого диапазона входных напряжений, частоты измерений и разрешения:

  • требуемый диапазон входных напряжений: ±12 В;
  • требуемое эффективное разрешение (ENOB): 14 бит;
  • требуемая частота измерений: 100 ksps.

ADS8689 отвечает этим требованиям:

  • диапазон входных напряжений: ±12,228 В;
  • эффективное разрешение (ENOB): 14,8 бит;
  • частота измерений: 100 ksps.

Примечание: компания Texas Instruments предлагает широкий выбор других АЦП, отвечающих заданным требованиям.

  • Выберите цифровой изолятор с учетом необходимого уровня изоляции, количества и направления каналов:
  • TI предлагает цифровые изоляторы с рейтингом изоляции 2,5…5,7 кВ (среднеквадратичное значение – ср. кв);
  • Выбирайте изолятор, исходя из рейтинга изоляции, требуемого в системе:
  • для гальванической развязки SPI-интерфейса потребуется четыре изолированных канала: три входных канала и один выходной;
  • ISO774x – семейство четырехканальных цифровых изоляторов с различными вариантами направленности каналов и рейтингом изоляции 2,5 кВ (ср.кв) или 5,7 кВ (ср.кв).

Необходимо учитывать задержки, вносимые цифровым изолятором:

  • ISO7741 имеет типовую задержку распространения сигнала 10,7 нс, а максимальное значение составляет 16 нс, таким образом, полная задержка распространения сигнала (в прямом и обратном направлениях) составляет 21,4 нс (типовое значение) и не превышает 32 нс (максимальное значение);
  • при тактовой частоте сигнала SCLK 6,66 МГц его период будет примерно равен 150 нс;
  • типовое значение полной задержки распространения сигнала составляет 14% от периода SCLK;
  • максимальное значение полной задержки распространения сигнала составляет 21% от периода SCLK.

Задержка, вносимая цифровым изолятором, приводит к тому, что на стороне ведущего устройства момент считывания данных с линии SDO смещается относительно исходного тактового сигнала. Для решения этой проблемы можно использовать дополнительный канал для возврата сигнала SCLK со стороны АЦП к ведущему устройству. В таком случае сигнал SCLK будет иметь такую же задержку, как и сигнал SDO.

Исследование частотных характеристик схемы

Измерения шумовых и частотных характеристик проводились с помощью четырехканального модуля на базе АЦП ADS8689 с индивидуальной изоляцией каналов. На вход схемы подавался синусоидальный сигнал с размахом 24 В и частотой 1 кГц. Минимальное соотношение «сигнал-шум» составило SNR = 92,2 дБ, а коэффициент нелинейных искажений THD = -108,8 дБ (таблица 67). Таким образом, схема примерно соответствует заявленным в документации характеристикам ADS8689: SNR = 92 дБ, THD = -112 дБ. На спектре входного сигнала хорошо виден исходный сигнал 1 кГц и собственные шумы схемы (рисунок 84).

Рис. 84. Спектр сигнала, полученного с помощью быстрого преобразования Фурье

Рис. 84. Спектр сигнала, полученного с помощью быстрого преобразования Фурье

Таблица 67. Измеренные значения SNR и THD

Канал SNR, дБ THD, дБ
1 92,29 -109,95
2 92,38 -108,82
3 92,46 -109,53
4 92,42 -111,38

Негативное влияние TVS-диодов на характеристики схемы

Для защиты входов АЦП от перенапряжений использовались дополнительные TVS-диоды. Паразитная емкость этих диодов привела к ухудшению коэффициента нелинейных искажений THD примерно на 6 дБ.

Используемые компоненты

Описание компонентов, используемых в схеме, приведено в таблице 68.

Таблица 68. Описание компонентов, используемых в схеме

Наименование Основные характеристики
ADS8689 16-битный АЦП с SPI-интерфейсом, частотой дискретизации 100 ksps, несимметричным входом и диапазоном входных напряжений до ±12,288 В. Имеет встроенный программируемый усилитель, который обеспечивает широкий диапазон входных напряжений
ISO7741 4-канальный высокоскоростной цифровой изолятор с повышенной стойкостью к ЭМИ. Используется для изоляции цифрового интерфейса

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 инструментальном усилителе для АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах
  13. Уменьшение влияния внешнего RC-фильтра на погрешность и дрейф коэффициента усиления аналогового фронтэнда (AFE): ±10 В, до 200 кГц, 16 бит
  14. Расчет антиалайзингового фильтра с заданной частой среза для АЦП последовательного приближения

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
ADS8689IPW (TI)
ADS8689IPWR (TI)
ADS8689IRUMR (TI)
ADS8689IRUMT (TI)
ISO7741DBQR (TI)
ISO7741FDBQ (TI)
ISO7741FQDBQQ1 (TI)
ISO7741QDBQQ1 (TI)
ISO7741DW (TI)
ISO7741FDBQR (TI)
ISO7741FQDBQRQ1 (TI)
ISO7741QDBQRQ1 (TI)
ISO7741DBQ (TI)
ISO7741DWR (TI)