Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 17

29 октября

телекоммуникацииавтоматизациялабораторные приборыуниверсальное применениеTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

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

Изолированный малошумящий источник питания с напряжением 5 В и током до 100 мА

Исходные данные к расчету схемы представлены в таблице 73.

Таблица 73. Исходные данные к расчету схемы источника питания

Параметры питания
AVDD Vee Vdd
5,0 В 6,5 В 5,0 В

Описание схемы

На рисунке 89 представлена схема изолированного малошумящего источника питания, построенного с помощью драйвера трансформатора SN6505B и LDO-стабилизатора LP2981-50. Ранее мы уже использовали такой источник для питания АЦП ADS8689 в схеме с изолированным SPI-интерфейсом (часть 15!). В данном случае выбор драйвера трансформатора определяется уровнем нагрузки и не зависит от выбора LDO-стабилизатора. В свою очередь LDO-стабилизатор во многом определяет уровень выходного шума схемы.

Рис. 89. Изолированный малошумящий источник питания с напряжением 5 В и током до 150 мА

Рис. 89. Изолированный малошумящий источник питания с напряжением 5 В и током до 150 мА

Эффективность предложенного источника питания была продемонстрирована на примере работы модуля аналоговых входов на базе АЦП ADS8689.

Схемы с изолированными АЦП чаще всего используются в промышленных приложениях. Они также востребованы в медицине, например в установках для снятия ЭКГ, оксиметрах и мониторах состояния пациента.

Характеристики

Ключевые параметры схемы представлены в таблице 74.

Таблица 74. Ключевые параметры схемы

Параметр Целевые значения Измеренные значения
Выходной ток LDO, мА < 100 мА 16 мА на канал
Шум выходного напряжения LDO, мВ < 1 (RMS)
Соотношение «сигнал-шум» SNR ADS8689, дБ 92 92,4
Коэффициент нелинейных искажений THDADS8689, дБ -112 111,3

Примечания

  • определите уровень тока во вторичной обмотке трансформатора. Это необходимо для расчета компонентов схемы;
  • выбор трансформатора и драйвера имеет большое значение для обеспечения требуемых выходных характеристик источника питания;
  • вход CLK драйвера SN6505B может быть подключен ко внешнему источнику тактирования. Если вход CLK остается не подключенным, то драйвер будет по умолчанию работать с тактовой частотой 420 кГц (типовое значение).

Выбор компонентов схемы

  • Выберите драйвер трансформатора, исходя из требуемой величины выходного тока:
  • драйверы SN6505 обеспечивают выходной ток до 1 А. Драйвер SN6505A имеет встроенный источник тактирования 160 кГц, а драйвер SN6505B имеет встроенный источник тактирования 420 кГц;
  • драйверы SN6501 обеспечивают выходной ток до 350 мА.
  • Выберите трансформатор с нужным соотношением числа витков и требуемой нагрузочной способностью:
  • выходное напряжение схемы составляет 5 В, а входное – 6,5 В. Соотношение числа витков можно определить с помощью формулы 1:

$$\frac{n_{p}}{n_{s}}=\frac{V_{IN}}{V_{OUT}}=\frac{5\:В}{6.5\:В}=\frac{1}{1.3}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • нами был выбран трансформатор 760390014 производства компании Wurth Electronics с соотношением витков 1:1,3 и необходимым выходным током более 100 мА.
  • Выберите LDO-регулятор, который будет стабилизировать выходное напряжение с трансформатора и формировать выходное напряжение с низким уровнем шума.
  • стабилизатор должен отвечать требованиям приложения и обеспечивать необходимый выходной ток и требуемый уровень шумов;
  • для данного источника питания был выбран LP2981-50 – LDO-стабилизатор с фиксированным выходным напряжением 5 В и выходным током до 100 мА. LP2981-50 обеспечивает среднеквадратичный шум выходного напряжения 160 мкВ.
  • Выберите подходящие выпрямительные диоды для обеспечения быстрого переключения драйвера SN6505B:
  • в документации на драйверы SN6505x рекомендуется использовать недорогие диоды Шоттки MBR0520L;
  • падение напряжения на диодах приведет к уменьшению выходного напряжения на вторичной обмотке трансформатора;
  • диоды должны обеспечивать работу с заданным уровнем тока.

Контроль напряжения на выходах драйвера трансформатора

На рисунке 90 представлены осциллограммы напряжений на выходах драйвера SN6505B. Они представляют собой прямоугольные импульсы с амплитудой 5 В и частотой 411 кГц.

Рис. 90. Осциллограммы напряжений на выходах драйвера SN6505B

Рис. 90. Осциллограммы напряжений на выходах драйвера SN6505B

Измерение уровня пульсаций напряжения на входе LDO-стабилизатора

На рисунке 91 представлена осциллограмма напряжения на входе LP2981-50. Как видно из данного рисунка, среднеквадратичное значение пульсаций составило 1,12 мВ.

Рис. 91. Осциллограмма напряжения на входе LP2981-50

Рис. 91. Осциллограмма напряжения на входе LP2981-50

Анализ шумов и искажений на выходе источника питания

Эффективность предлагаемого источника питания была подтверждена с помощью четырехканальной платы изолированных аналоговых входов на базе АЦП ADS8689. Измерение уровня шумов и искажений на входе АЦП (рисунок 92) дало следующие результаты: SNR = 92,4 дБ и THD = -111,3 дБ. Это ненамного хуже, чем заявленные в документации характеристики ADS8689: SNR = 92 дБ и THD = -112 дБ.

Рис. 92. Спектр сигнала на входе АЦП

Рис. 92. Спектр сигнала на входе АЦП

Используемые компоненты

Описание компонентов, используемых в схеме, приведено в таблице 75.

Таблица 75. 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
SN6505B Малошумящий драйвер трансформатора  420 кГц
LP2981 LDO-стабилизатор со сверхмалым падением напряжения, выходным током до 100 мА и с поддержкой режима ожидания

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
  15. Измерительная схема на АЦП ADS8689 с изолированным SPI-интерфейсом
  16. Двухполярная схема питания для ОУ на базе LDO-стабилизатора TPS7A3901

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
SN6505BDBVT (TI)
SN6505BDBVR (TI)
LP2981-50DBVR (TI)
LP2981-50DBVRG4 (TI)
LP2981-50DBVT (TI)
LP2981-50 (TI)
ADS8689IPW (TI)
ADS8689IPWR (TI)
ADS8689IRUMR (TI)
ADS8689IRUMT (TI)
SN6505ADBVT (TI)
SN6505ADBVR (TI)
SN6501DBVR (TI)
SN6501DBVT (TI)
SN6501QDBVRQ1 (TI)