CN0292 用于工业电平信号的完全隔离式鲁棒型4通道多路复用数据采集系统

CN0292 4 mA至20 mA输入配置 通过499 Ω电阻将电压输入接地，电路可用作4通道、0 mA至20 mA单端输入。 由于满量程信号约为ADC范围的一半，系统的动态范围降低1位。 通过外部适当连接J2连接器，可将输入重新配置为电流输入。 例如，若通道1工作在电压模式下，则电压施加在J2端点1，而端点3接地。若工作在电流模式下，则电流施加在端点1和端点2，而端点3接地。 表2. 用于电压和电流输入选项的J2连接 输入 电压模式输入端点 电流模式输入端点 通道 1 1, 3 (GND) 1 和 2, 3 (GND) 通道 2 4, 6 (GND) 4 和 5, 6 (GND) 通道 3 7, 9 (GND) 7 和 8, 9 (GND) 通道4 10, 12 (GND) 10 和 11, 12 (GND) ±5 V输入配置 在图1电路中，AD8475选择0.4×增益配置。 若选择0.8×增益，则满量程范围将从±10 V下降到±5 V，导致灵敏度翻倍。 使用4 mA至20 mA输入和250 Ω端接电阻时，0.8×增益选项还可充分利用ADC输入范围。 实现更宽的带宽 改变ADA4000-4的输入缓冲器并降低第二级输入滤波器电容，便可增加输入带宽。 同时还可大幅提升交流信号测量的失真性能。 将设计扩展至8通道 由缓冲器、多路复用器和衰减器组成的第二条通道可连接至AD7176-2 ADC的AN2/AN3输入，实现8通道操作。 但是，同一时间自动按时序操作的通道数不可超过4个；建议让ADC工作在单次转换模式下，并每经过4次通道转换便重新配置通道映射。 AD7173-8集成4位GPIO，可在外部多路复用器的16条通道之间实现时序操作。AD7173-8速度较慢（6.21 kSPS通道开关速率），但功耗比AD7176-2更低。 设备要求 需要使用以下设备: EVAL-CN0292-SDZ 评估板  EVAL-SDP-CB1Z 系统演示平台  CN-0292评估软件 5 V/1 A直流电源，或壁式电源适配器   精密直流电压源(Fluke 5700)   数字万用表(Agilent 3458)   低噪声、精密电压源（建议使用电池组）   带USB端口的PC，运行Windows® XP (SP2)、Windows Vista或Windows 7（32位或64位）   软件安装 完整的软件用户指南可参见 CN-0292用户指南. CN-0292评估套件要求使用自安装软件，下载地址为：ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0292/。该软件兼容Windows XP (SP2)、Windows Vista和Windows 7（32位或64位）。 如果安装文件未自动运行，请运行setup.exe文件。 请先安装评估软件，再将评估板和SDP板连接到PC的USB端口，确保PC能够正确识别评估系统。 完成评估软件安装后，将EVAL-SDP-CB1Z（通过连接器A或连接器B）连接到EVAL-CN0292-SDZ，然后利用附送的电缆将EVAL-SDP-CB1Z连接到PC的USB端口。 检测到评估系统后，确认出现的所有对话框，完成安装。 设置与测试 图8显示测试设置的功能框图   图8. 测试设置功能框图   为测试该电路，需要如下硬件设备: 将EVAL-CN0292-SDZ板上的所有链路设为默认的位置A（这样可将板配置为通过isoPower®和LDO并采用±15 V和5 V电源上电）。   利用连接J14的5 V/1 A直流电源为板上电（参见图10）。   通过J2连接器上的V4将±10 V单端信号连接到V1。   为获得最优性能，建议采用下列ADC软件配置: 使能GPIO Mux（GPIO多路复用器）。 将Delay Conversion（延迟转换）设为4 μs。 使能 Data + Status（数据+状态）. 使能待测通道 选择外部基准电压源。 保留其他寄存器的复位值。 如需手动选择通道，可禁用GPIO Mux（GPIO多路复用器），使能GPIO 0 Output（GPIO 0输出）和GPIO 1 Output（GPIO 1输出），然后设置GPIO 0 Data（GPIO 0数据）和GPIO 1 Data（GPIO 1数据）上的通道数。 至此完成测试设置的配置（参见图9）。 将样本数设为1000，然后单击Start Sampling（开始采样）。 收集到样本后，结果显示在主波形图上。 注意，电压读数以ADC输入为基准；因此，J2/J15上的10 V输入产生的软件读数约为4 V。   图9. 42 kSPS时的4通道多路复用转换ADC配置   图10. EVAL-CN0292-SDZ评估板连接EVAL-SDP-CB1Z SDP板的照片   信号路径 采用ADA4096-4缓冲4个输入信号通道；该器件是一款四通道轨到轨输入/输出运算放大器，针对高于或低于±15 V供电轨达32 V的输入，具有防止发生反相或闩锁的过压保护功能， 因而无需额外的过压保护电路。 T输入针对±10 V典型低频工业信号设计。输入缓冲器为信号源提供高阻抗，并将输入与多路复用器开关瞬态隔离。 缓冲器输入端的RC网络(10 Ω/10 nF)带宽为1.6 MHz，具有高频噪声滤波功能。 ADA4096-4输出端的RC网络(47 Ω/47 nF)可将缓冲器与多路复用器开关瞬态隔离。 图2显示等效电路。 输入电压必须对漏极电容CD充电，才能切换至下一通道。 通道间电压可高达 20 V，且多路复用器切换至下一通道时可产生瞬态电流。   图2. RC反冲隔离电路   ADG1204多路复用器具有低漏极电容(<4 pF)，可最大程度减少反冲电荷。 采用ADA4898-1运算放大器缓冲多路复用器输出，以防载入开关导通电阻产生的误差。ADA4898-1是一个单位增益稳定的器件，可在不到85 ns时间内建立至0.1%，输入电压噪声仅为 0.9 nV/√Hz。 缓冲器在最差情况下的输入信号为±10 V、21 kHz方波信号；此时，两个邻道的输入端分别具有满量程正电压和满量程负电压。 ADA4898-1输入端的RC网络(1.8 kΩ/68 pF)带宽为1.3 MHz，可用作宽带噪声滤波器。该滤波器的时间常数为122 ns，16位建立时间约为1.34 μs（约11个时间常数）。 ADA4898-1缓冲器输出驱动AD8475精密差分漏斗放大器；后者可将双极性、单端±10 V信号转化为±4 V差分信号并以2.5 V共模电压为中心。AD8475集成经过调整和匹配的精密电阻， 其增益配置为0.4×，可接受±12.5 V输入，并采用5 V单电源供电。 共模电压由AD7176-2 ADC的REFOUT引脚(2.5 V)提供。 AD7176-2差分输入范围由ADR4550 5 V基准电压源设为±5 V。 AD7176-2可同时用作ADC和多路复用器控制器。使能MUX_IO位可导致AD7176-2的GPIO引脚与ADC通道序列和转换的同步切换；因此，通道的改变与ADC同步，无需任何外部同步。 GPIO引脚能为数字接口节省两条原本控制多路复用器所需的控制线。 通过AD7176-2可配置0 μs至1 ms可编程转换延迟。 转换延迟是每次通道发生变化（由GPIO位控制）与转换开始之间的延迟。 延迟调节允许多路复用器和调理电路具有额外的建立 时间。 信号路径上的所有元件均针对兼容42 kSPS通道开关速率的最小总建立时间而选择。 因此，电路具有低于−90 dB满量程信号的通道间低频串扰性能。 通道开关和转换开始之间可插入一个可编程转换延迟，从而在需要进一步优化的场合允许电路以最大建立时间驱动ADC。 数字隔离和isoPower ADUM3471是一个四通道数字隔离器，集成脉冲宽度调制(PWM)控制器和低阻抗变压器驱动器（X1和X2）。 隔离式DC-DC转换器仅需一个变压器（Coilcraft KA4976-AL，1:5匝数比， 64 μH初级电感）和一个简单全波肖特基二极管整流器（四个SD103AW-7-F二极管）。 采用5 V或3.3 V输入电源时，电源电路最高可提供2 W调节隔离功率，因而无需另外使用隔离 式DC-DC转换器。 iCoupler®芯片级变压器技术用于隔离逻辑信号；集成的变压器驱动器带隔离副边控制功能，可以提高隔离式DC-DC转换器的效率。 内部振荡器频率可以在200 kHz至1 MHz范围内调 节，由连接OC引脚的电阻值决定。 当该电阻等于100 kΩ时，开关频率为500 kHz。 ADuM3471调节来自正电源。用于调节的反馈来自分压器网络；该分压器网络根据以下要求选择：当输出电压为16.76 V时，反馈电压为1.25 V。反馈电压与ADuM3471的1.25 V内部反 馈设定点电压相比较。调节通过改变驱动外部变压器PWM信号的占空比来实现。 ADP7102 LDO调节器可将16.76 V输出电压向下调节至15 V。来自变压器的未调节负整流电压约为−21 V。ADP7182负调节器用来提供−15 V调节电压。然后，±15 V调节电压用来为高 压元器件供电（ADA4096-4、ADG1204和ADA4898-1）。 性能测量 无噪声码分辨率 通道输入短路至GND时，电路测量的17位无噪声码分辨率如图3所示。 图3. 42 kSPS开关速率下的噪声和分辨率   在通道之间进行多路复用时的建立时间 9.6 V信号源（电池组）连接系统用作通道1和通道3的输入。−9.6 V信号源连接通道2和通道4。 . 多路复用器可手动设为通道1，方法是将GPIO位设为00；然后便可得到1000个样本的直方图，如图4所示。无噪声码分辨率优于16位。 图4. 单通道9.6 V转换直方图   然后，使能多路复用器（42 kSPS，4 µs延迟），获取通道1的1000个样本直方图，如图5所示。 无噪声码分辨率优于16位。   每种配置均可获得优于16位的无噪声码分辨率；在通道之间进行多路复用时，失调平均值略有漂移，如图6所示。 42 kSPS时漂移约为300 µV（15 ppm FS，或16位时1 LSB），并且 可通过加入更多转换延迟而降低（在AD7176-2的ADC模式寄存器中配置），因此允许转换以前具有更多建立时间。 图6. 带与不带多路复用时的通道1转换直方图   积分非线性使 用Fluke 5700多功能校准仪和Agilent 3458万用表，能在−11 V至+11 V范围内对积分非线性(INL)以1 V步进进行测量。 测量结果如图7所示；图中的端点线性度误差校准至零。 AD7176-2的典型INL规格为±3 ppm FS。板上的其他器件同样会产生非线性，但并非所有非线性都在同样的电压下达到峰值；因此，可得到一个U型曲线，如图7所示。 .  图7. INL（以FSR的ppm表示）与输入电压的关系   若校准寄存器采用默认值，则−11 V至+11 V范围内计算的失调和增益误差分别为318 µV和0.04% FS（25°C时）。 表1显示每个器件随温度变化而产生的失调和增益漂移贡献。 表1. 失调和增益漂移贡献  产品型号  失调漂移  增益漂移  ADA4096-4  0.4 µV/°C  不适用  ADA4898-1  0.4 µV/°C  不适用  AD8475  2.5 µV/°C  1 ppm/°C  AD7176-2  110 nV/°C  0.5 ppm/°C  ADR4550  Not applicable  2 ppm/°C (maximum)  RSS 值  2.56 µV/°C  2.29 ppm/°C  最大值  3.41 µV/°C  3.5 ppm/°C 用于CN-0292的完整设计支持包（包括原理图、布局文件、装配图和物料清单）可参见CN-0292设计支持包。 CN0292 用于工业电平信号的完全隔离式鲁棒型4通道多路复用数据采集系统 CN0292 图1中的电路是一个完全隔离、鲁棒、4通道数据采集系统，提供16位、无噪声代码分辨率和高达42 kSPS的自动通道开关速率。 由于在多路复用信号链上选择了独特的快速建立时间元件，因而42 kSPS开关速率下的通道间串扰低于15 ppm FS（低于−90 dB）。 该电路获取并数字化标准工业信号电平，包括：±5 V、±10 V、0 V至10 V和0 mA至20 mA。 输入缓冲器还提供过压保护，从而消除了传统肖特基二极管保护电路的相关漏电流误差。 本电路的应用包括过程控制（PLC/DCS模块）、电池测试、科学多通道仪器和色谱仪。 图1. 4通道数据采集系统功能框图（原理示意图： 未显示所有连接和去耦）   cn0292(analog)