Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 7

Синтия Соса (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 расширения диапазона входных напряжений на встроенном аналоговом входном блоке (AFE) SAR АЦП

Исходные данные к описываемому решению представлены в таблицах 25 и 26.

Таблица 25. Входные и выходные параметры схемы расширения диапазона входных напряжений на встроенном аналоговом входном блоке (AFE) SAR АЦП

Входной сигнал Входной сигнал АЦП Цифровой выход ADS7042
VinMin = -40 В AIN – xP = -10 В -13107210
AIN – xGND = 0 В 20000H
VinMax = 40 В AIN – xP = 10 В 13107110
AIN – xGND = 0 В 1FFFFH

Таблица 26. Параметры источников питания схемы расширения диапазона входных напряжений на встроенном аналоговом входном блоке (AFE) SAR АЦП

Источники питания
AVDD DVDD
5 В 3,3 В

Описание решения

В данной главе описывается, как расширить диапазон входных напряжений SAR АЦП со встроенным аналоговым входным блоком (AFE) и снизить потери точности за счет применения метода двухточечной калибровки. Схема, представленная на рисунке 35, расширяет доступный диапазон входных напряжений ADS8598H с собственным диапазоном ±10…± 40 В (таблица 27). Это позволяет использовать более широкий входной диапазон напряжений без применения дополнительной аналоговой схемы понижения напряжения; вместо этого используется простой делитель напряжения для взаимодействия с AFE АЦП, понижающий напряжение на входе преобразователя. Для устранения возможных ошибок применяется соответствующий метод калибровки.

Рис. 35. Схема расширения диапазона входных напряжений на встроенном аналоговом входном блоке (AFE) SAR АЦП

Рис. 35. Схема расширения диапазона входных напряжений на встроенном аналоговом входном блоке (AFE) SAR АЦП

Также рекомендуем обратиться к статье «Уменьшение влияния внешнего RC-фильтра на погрешности усиления и дрейфа для интегрированного AFE» («Reducing effects of external RC filter circuit on gain and drift error for integrated analog front ends (AFEs): ±10V»), где представлена аналогичная конфигурация с разъяснениями, как оценить вклад дрейфа от внешних компонентов. Расширение диапазона входных напряжений АЦП оказывается полезным в задачах разработки конечного оборудования, включая многофункциональные реле, модули аналоговых сигналов переменного тока и блоки управления для железнодорожного транспорта.

Таблица 27. Спецификации схемы расширения диапазона входных напряжений

Спецификации Измеренная точность без калибровки Измеренная точность с калибровкой
±40 В 0,726318% 0, 008237%

Рекомендуем обратить внимание:

  • Используйте резисторы с малым дрейфом, чтобы снизить ошибки, вызванные температурным дрейфом, например, 50 ppm/°C с допуском 1% или выше. Обратите внимание, что стоимость высокоомных (от 1 МОм и выше) прецизионных резисторов с малым дрейфом может быть сравнительно высокой.
  • Для подобной конфигурации может понадобиться входной фильтр. Установка такого фильтра сразу после мощного входного сопротивления может привести к ошибкам из-за токов утечки конденсатора. Альтернативная схема с фильтрующим конденсатором на входе приведена далее.

Выбор компонентов

Внутреннее сопротивление преобразователя составляет 1 МОм, внешний резистор выбирается на основе требуемого расширенного диапазона входных напряжения (Vin), в данном случае это ±40 В. Такой внешний резистор образует входной делитель напряжения с внутренним сопротивлением устройства, понижая входное напряжение в пределах диапазона входного сигнала АЦП ±10 В.

  • Преобразуем уравнение делителя напряжения, чтобы найти значение для внешнего резистора. Эта же формула 1 может далее использоваться для расчета ожидаемого значения VinADC из входного напряжения:

$$V_{inADC}=V_{in}\times \frac{R_{in}}{R_{in}+R_{ext}};\\R_{ext}=\frac{V_{in}\times R_{in}}{V_{inADC}}-R_{in}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Решаем уравнение, находя значение внешнего резистора для желаемого расширенного диапазона входного напряжения. Vin = ±40 В, Rin = 1 МоМ (формула 2):

$$R_{ext}=\frac{40\:В\times 1\:МОм}{10\:В}-1\:МОм\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Ширина входного диапазона напряжений может принимать различные значения, в зависимости от используемого значения внешнего резистора (таблица 28).

Таблица 28. Диапазон входных напряжений

Vin Rext
±40 3 МОм
±30 2 МОм
±20 1 МОм
±12 200 кОм

Некалиброванные измерения

В ходе испытаний на вход схемы подавались различные значения напряжения постоянного тока, находящиеся в пределах полной шкалы ±40 В с последующим измерением уровня входного напряжения АЦП и оценкой точности измерения (рисунок 36). Процентная ошибка рассчитывалась с по формуле 3:

$$Error(\%)=\frac{V_{inADC}-V_{outADC}}{V_{inADC}}\times 100\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Рис. 36. Уровень входного напряжения АЦП и оценка точности измерений

Рис. 36. Уровень входного напряжения АЦП и оценка точности измерений

Двухточечная калибровка

Для устранения ошибки считывания, вносимой внешним резистором, может применяться метод калибровки. В данной схеме применяется двухточечная калибровка с двумя отсчетами при напряжении 0,25 В из полного входного диапазона напряжений в пределах линейного диапазона АЦП. Значения, измеренные в калибровочных точках, затем используются для расчета крутизны и смещения линейной передаточной функции. Калибровка устраняет ошибку усиления, вносимую внешним резистором, а также ошибку усиления внутренней части преобразователя.

Таблица 29. Двухточечная калибровка с двумя отсчетами

Применяем калибровочный отсчет при 9,75 В
Vmin Измеренный код
-9,75 В  -128689
Применяем калибровочный отсчет при -9,75 В
Vmin  Измеренный код
-9,75 В  128701

Рассчитываем калибровочные коэффициенты крутизны и смещения (формула 4):

$$m=\frac{Code_{max}-Code_{min}}{V_{max}-V_{min}}=\frac{128701-(-128689)}{9.75\:В-(-9.75\:В)}=13199.487\\b=Code_{min}-m\times V_{min}=-128689-13199.487\times (-9.75\:В)=5.998\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Применяем калибровочные коэффициенты ко всем последующим измерениям (формула 5):

$$V_{inADC\_Calibrate}=\frac{Code-b}{m}=\frac{128701-6}{13199.487}=9.75\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Измерения параметров двухточечной калибровки

Коэффициенты калибровки: m = 13199,487; b = 5,998.

При применении калибровки погрешность показаний значительно снижается (рисунок 37).

Рис. 37. Снижение погрешности показаний при калибровке

Рис. 37. Снижение погрешности показаний при калибровке

Альтернативная схема с фильтрующим конденсатором

Из-за использования высокоомных резисторов добавление конденсатора может значительно повлиять на результаты, приводя, например, к усилению дрейфа. Это происходит из-за возникающих токов утечки на конденсаторе. Ток утечки нестабилен по времени и зависит от температуры, что приводит к ошибкам, которые трудно откалибровать. Поэтому если требуется входной фильтр, для его реализации можно использовать альтернативную схему. Конденсатор размещается с балансным RC-фильтром перед внешними резисторами по отношению к входному сигналу (рисунок 38).

Рис. 38. Альтернативная схема с фильтрующим конденсатором

Рис. 38. Альтернативная схема с фильтрующим конденсатором

Альтернативная схема с фильтрующим конденсатором: выбор компонентов

Внешние сглаживающие RC-фильтры снижают уровень шумов и защищают схему от перенапряжения. Для лучшего подавления шумов синфазного сигнала требуется балансирующая конфигурация RC-фильтра. Соответствующие внешние резисторы добавляются как к отрицательному, так и к положительному входу. Такие внешние резисторы должны быть резисторами с малым дрейфом.

  • Выберите значение R на основе требуемой частоты среза. В этом примере используется частота среза 320 Гц и значение резистора 10 кОм. Следовательно, R = 10 кОм
  • Выберите CFIL (формула 6):

$$C_{FIL}=\frac{1}{2\pi \times f_{c}\times 2R}=\frac{1}{6.28 \times 320\:Гц\times 2\times 10\:кОм}=24.8\:нФ\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Ближайшее значение стандартного конденсатора – CFIL = 24 нФ.

Устройства, примененные в решении, приведены в таблице 30.

Таблица 30. Устройства, задействованные в решении

Устройство Основные характеристики
ADS8598H 18-разрядный высокоскоростной 8-канальный АЦП с одновременной выборкой, имеющий биполярные входы и питающийся от одного источника

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

Перевел Александр Леонович 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
ADS8598HIPMR (TI)
ADS8588HIPM (TI)
ADS8588HIPMR (TI)
ADS8598HIPM (TI)