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1、电路功能与优势图1所示电路是高性价比、高度集成的16位、250 kSPS、8通道数据采集系统，可对 10 V工业级信号进行数字化转换。该电路还可在测量电路与主机控制器之间提供2500 V rms隔离，整个电路采用隔离式PWM控制5 V单电源供电。GNDj ADUM3471DGCH-COfJNECTS TO 3 OTHER + INPUTS OF QUAD ADH0.岑idL医n-X一 W一匮也潺PgVID图1. 16位、250 KSPS、8通道数据采集系统（原理示意图：未显示所有连接和去耦）电路描述此电路配合16位、8通道、250 kSPSPulSAR ADC AD7689和两个低成本精密四通
2、道运 算放大器AD8608使用，在数据采集系统内提供所有信号调理和数字化功能。另外仅需要 AD8605运算放大器，用于缓冲AD7689的基准电压。AD8605和AD8608分别是低成本单通道和四通道轨到轨输入和输出CMOS放大器。AD8608 可对10 V输入信号进行反转、电平转换和衰减，以便匹配ADC的输入范围，当使用+4.096 V基准电压源和+5 V单电源时，输入范围为0 V至+4.096 V。AD8605用作外部基准电压缓冲器，为电平转换提供足够的驱动能力。AD8605和AD8608 具有极低的失调电压、低输入电压和电流噪声以及宽信号带宽，因此适合各种应用。AD8608 的低电流和电压
3、噪声可确保电阻噪声是高输入阻抗输出噪声的主要因素。本电路中的输入阻 抗（等于R1）为50 kQ016位、8通道、250 kSPSPulSAR ADC AD7689内置多通道低功耗数据采集系统所需的所 有元件。它包括一个16位SAR ADC、一个8通道低串扰多路复用器、一个低漂移基准电压 源和缓冲器、一个温度传感器、一个可选单极点滤波器和一个通道序列器。序列器可用于连 续扫描通道，且不需要微控制器或FPGA来控制通道开关。AD7689采用20引脚、4 mm X 4 mm LFCSP小尺寸封装，因此成本和印刷电路板（PCB）面积降至最低。工作温度范围为20。 C至+85 C。5 V电源、250 k
4、SPS时的功耗为12.5 mW （典型值）。ADuM3471为四通道数字隔离器，集成PWM控制器和变压器驱动器用以驱动隔离式DC/DC 转换器。ADuM3471为电路提供5 V、2 W隔离电源，并在SPI接口隔离数字信号。模拟前端设计在过程控制和工业自动化系统中，典型的信号电平最高可达土 10 V。图1电路使用具有 衰减和电平转换功能的反相放大器，将10 V信号转换为适合ADC范围的信号。电路公式如下：前端信号增益（-R2/R1）设置为-0.2，使得到达ADC的信号范围为4 V峰峰值。这与0 V至4.096 V的输入范围（等于基准电压VREF）相适合。对于O V输入信号，运算放大器的输出应位于
5、中间电平或0.5 VREF。把公式1代入公式2,得到运算放大器输入端的共模电压通过下式计算:For R3/R4 = 1.4且VREF = 4.096 V时，运算放大器的共模电压为1.7 V。每个AD8608内有四个放大器，四个同相输入短接在一起并连接到电阻分压器R3/R4。 第二个分压器用于第二个AD8608。要消除运算放大器输入偏置电流，二4网电路输入阻抗为R1，理想情况下应较高。不过，电阻热噪声与电阻平方根成正比，因 此系统噪声性能随该电阻值增加而下降。要决定最佳值，需要对噪声进行简单分析。根据奈奎斯特准则，最大信号频率成分应小于最大采样速率的一半。AD7689 250 kSPS 采样速率
6、产生125 kHz的奈奎斯特频率。为了将此带宽内的信号衰减降至最低，前端的3dB 截止频率被设计为奈奎斯特频率的大约12倍或1.5 MHz。此电路的噪声模型如图2所示。本电路中有三种噪声源：电阻噪声、放大器电压噪声和 放大器电流噪声。每个噪声源的均方根值如表1所示。有关运算放大器噪声的详情，请参见 应用笔记 AN-358 和教程 MT-047、MT-048 和 MT-049。图2. AD8608反相配置的噪声模型在目标带宽内，ADC之前的总均方根噪声应小于0.5 LSB，以便ADC可对输入信号进行 正确数字转换。电阻噪声可通过下式计算：=44；at 25C(7)N V tooo其中R单位为Q。
7、使用图1所示电阻值和1.5 MHz带宽时的噪声性能总结在表1中。这些不相关噪声电压以“方和根”形式相加；因此1.5MHz带宽内的总运算放大器输出 均方根噪声约为21.3 p V。对于4.096 V基准电压，16位LSB为62.5 p V。21.3 p V的均 方根噪声小于0.5 LSB，所以图1所示电阻值适合本应用。请注意，总输出噪声的最大来源是电阻R2,在本电路中为10 kQ。减小R2值需要R1 成比例下降，从而降低输入阻抗。AD8608的输入电流噪声很小，除非使用极大电阻值，否则不会成为重要因素AD8605 和AD8608的低输入电流噪声和输入偏置电流使其成为高阻抗传感器(例如光电二极管)
8、的 理想放大器。与R2并联地添加C1电容，以形成单极点、有源低通滤波器。带宽使用公式7计算。假 定使用1.5 MHz、3 dB带宽，C1约为10 pF。本电路中，考虑到PCB板的寄生效应，选择 8.2 pF 值。Tabk lr Xoiw Sujiie 粕 ry for the Cimiit Values ShoKn in Figure 1Noise SourceRMS Norse DensityRTO Factor (Equation)RTO FactorOutput Noise Dtnsity(nV/VHbK)Output RMSNo-ise.1.5 机 He fia nd width Qi
9、V)Sni23衲归Zfi202钮Bhz12 nVHz1112&15.4enV/VHz（崂卜（赢05455.5昵& nV/Hz0-75dfier6.5nV/zRi.1279.6in+0.01 pA/vHz1 a R2 ( R3.Ri 2.5 kf!0UD25in-0.01 pA/i!HzR210 kfl0.1模数转换器（ADC）AD7689是一款现代SAR ADC,使用内部开关电容DAC。由于采用SAR架构，转换过程中 无流水线延迟，从而大大简化多路复用操作。图3显示等效模拟输入电路。小瞬态电流以采 样频率注入模拟输入，由R5和C2组成的外部滤波器网络减小了它对运算放大器输出的影响。 此外，滤波
10、器带宽为2.7 MHz，可减少ADC输入端的噪声。图3. AD7689的等效模拟输入电路在4.096 V或2.5 V可选基准电压下，此电路的输入范围可在10 V和6 V之间切换， 而不会降低系统分辨率。内部温度传感器可用于监控AD7689的结温，实现精密应用中的系统校准和温度补偿。隔离电源和数字I/O的单芯片解决方案ADuM3471是用于电源和数字I/O隔离的单芯片解决方案。隔离电压为2500 V rms （UL 1577器件认可）。ADuM3471提供4通道隔离式I/O端口，并集成用于隔离式DC/DC转换器 的PWM控制器和变压器驱动器。配合一些外部元件使用时，ADuM3471可通过任何调节
11、电压 （3 V至24 V）提供2 W隔离电源。必要的外部元件是一个用于电能传输的变压器、两个用 于全波整流的肖特基二极管、一个用于纹波抑制的LC滤波器和两个用于设置输出电压的反 馈电阻。详情参见ADuM3471数据手册和图1。布局考量该电路或任何高速/高分辨率电路的性能都高度依赖于适当的PCB布局，包括但不限于 电源旁路、信号路由以及适当的电源层和接地层。有关PCB布局的详细信息，请参见教程 MT-031、教程MT-101和高速印刷电路板布局实用指南（模拟对话一文。有关CN-0254的完整设计支持包，包括原理图、电路板布局和BOM，请参阅 系统性能图4显示评估板端子板上的CH0至CH7短接到G
12、ND时，10，000个ADC的代码样本（1 kSPS 时需要1秒）的曲线图。请注意，95%的代码处于4LSB，峰峰值分布约为7LSBo这对应于 约7 : 6.6 = 1.1 LSB的均方根值。舄|:蹑，喜料图4. 0 V DC输入时的直方图，10，000个样本交流性能如图5所示。米样速率250 kSPS由系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z SDP)控 制，包括信号窗口和FFT的数字信号处理通过CN-0254评估软件在PC上计算。输入正弦波 形为20 kHz音频，由低失真B&K正弦发生器Type 1051提供。3UrrapCHSehkip Fa顷4小La司lput SHpnal HjMg-
13、r 卜|耐，-HOTSNR = BSfldlBlFS GINAD= QS.edBFSSFDR = 94.6dBcTHO-92.1 dBft图5. KAISER窗口(参数=20)、20 KHZ输入、250 KSPS采样速率下的FFT常见变化对于需要更高采样速率的应用，AD7699米样速率高达500 kSPS，是AD7689的理想引脚 替代产品。AD8615、AD8616和AD8618分别为单通道/双通道/四通道精密、CMOS、轨到轨输入/ 输出运算放大器，带宽最高可达20 MHz。可用于带宽需求比AD8605/AD8608系列更高的应 用。ADR3412 (1.200 V). ADR3420 (
14、2.048 V). ADR3425 (2.500 V)、ADR3430 (3.000 V)、ADR3433 (3.300 V)、ADR3440 (4.096 V)和 ADR3450 (5.000 V)均为低成本、 低功耗、高精度CMOS基准电压源，具有0.1%的初始精度、低工作电流和低输出噪声特性， 采用SOT-23小型封装。如果需要，这些器件可代替AD7689内部基准电压源。ADuM3470、ADuM3471、ADuM3472、ADuM3473 和 ADuM3474 非常适合需要电源和数字 I/O 隔离的应用。ADuM120x和ADuM140x系列用于隔离式I/O扩展。针对高数据速率，ADuM344x 系列最高支持150 Mbps。
