用于±10 V输入的单电源、完全隔离式数据采集系统 (二)

有源元件温度系数对总误差的影响

　　AD8606运算放大器和AD7091R ADC的直流失调由校准程序消除。

　　ADC AD7091R内置基准电压源的失调漂移典型值为4.5 ppm/°C，最大值为25 ppm/°C.

　　AD8606运算放大器的失调漂移典型值为1μV/°C，最大值为4.5μV/°C.

　　U1A AD8606输入导致的误差以2.3 V输出范围为基准，因而为2 ppm/°C.U1B基准电压缓冲器导致的误差以2.5 V为基准，同样约为2 ppm/°C.

　　总漂移误差结如表1所概括。这些误差不包括AD7091R的±1 LSB积分非线性误差。

　　请注意，如果采用50 ppm/°C或100 ppm/°C电阻，则总漂移的最大来源是电阻漂移，有源元件产生的漂移可忽略。

表1.温度漂移导致的误差

　　两点校准前后的测试数据

　　为了执行两点校准，先向输入端施加-10 V的电流，并将ADC输出代码记为Code_1.然后，向输入端施加+10 V的电流，再将ADC输出代码记为Code_2.增益系数通过下式计算：

现在，可通过下式计算与任何输出代码Code_x对应的输入电压：

通过比较使用元件标称值计算得到的理想传递函数和未校准实际电路传递函数，可以得到校准前的误差。实测电路所用电阻的容差为±1%.测试结果不包括温度变化。

　　图3中所示为环境温度下校准前后的百分比误差(FSR)测试结果。如图所示，校准前的最大误差约为0.23% FSR.校准后，误差降至±0.03% FSR，大致相当于ADC的1 LSB误差。

图3.室温校准前后的电路测试误差

　　PCB布局考虑

　　在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。该系统的PCB采用简单的双层板堆叠而成，但采用4层板可以得到更好的EMS性能。有关布局和接地的信息，请参见MT-031指南;有关去耦技术的信息，请参见MT-101指南。AD8606的电源应当用10μF和0.1μF电容去耦，以适当抑制噪声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近相应器件，0.1μF电容应具有低ESR值。对于所有高频去耦，建议使用陶瓷电容。电源走线应尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。

　　ADuM5401 isoPower集成式DC/DC转换器要求在输入和输出电源引脚上进行电源旁路。请注意，引脚1与引脚2以及引脚15和引脚16之间需要低ESR旁路电容，这些电容应尽可能靠近芯片焊盘。为了抑制噪声并降低纹波，至少需要并联两个电容。针对VDD1和VISO，推荐的电容值是0.1μF和10μF.较小的电容必须具有低ESR，建议使用陶瓷电容。低ESR电容末端到输入电源引脚的走线总长不得超过2 mm.如果旁路电容的走线长度超过2 mm，可能会破坏数据。考虑在引脚1与引脚8及引脚9与引脚16之间实现旁路，除非两个公共地引脚靠近封装连在一起。

　　高电压能力

　　这款PCB依据2500 V基本绝缘规范而设计。不建议进行2500 V以上的高电压测试。在高电压下使用该评估板时必须谨慎，而且不得依赖该PCB来实现安全功能，因为它未经过高电位测试(也称为高压测试或耐压绝缘测试)，也未通过安全认证。

　　常见变化

　　经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工作，并具有良好的精度。可在该配置中采用其他精密运算放大器和其他ADC，以将±10V输入电压范围转换成数字输出，用于本电路的各种其他应用中。

　　可依据“电路设计”部分的等式，针对±10 V输入电压范围以外进行设计，如图1所示。表2显示针对某些标准电压范围计算电阻。

表2.标准电压范围元件值

在下限为零且上限高于基准电压时，转换不需增益(k = 1)，并且可简化电路。图4显示输入范围为0 V至10 V的一个例子。

图4. 0 V至10 V隔离式单电源模数转换(未显示所有连接和去耦)

　　AD7091与AD7091R类似，但没有基准电压输出，而且输入范围等于电源电压。AD7091可与2.5 V ADR391基准电压源配合使用。ADR391不需要缓冲，因此可在电路中使用一个AD8605.

　　ADR391是一款精密2.5 V带隙基准电压源，具有低功耗、高精度(温度漂移为9 ppm/°C)等特性，采用微型TSOT封装。

　　AD8608是AD8605的四通道版本，在需要额外的精密运算放大器时，可以替代AD8606.

　　AD8601、AD8602和AD8604分别为单通道、双通道和四通道轨到轨、输入和输出、单电源放大器，具有超低失调电压和宽信号带宽等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608.

　　AD7457是一款12位、100 kSPS、低功耗SAR ADC，在不需要300 kSPS吞吐速率的情况下，可以与ADR391基准电压源相配合，用于代替AD7091R.

　　电路评估与测试

　　本电路采用EVAL-CN0335-PMDZ电路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)评估板。转接板SDP-PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引脚对接连接器。转接板和EVAL-CN0335-PMDZ板采用12引脚Pmod对接连接器，可快速进行设置和评估电路性能。EVAL-CN0335-PMDZ板包含要评估的电路(如本笔记所述)，SDP评估板与CN0335评估软件配合使用，以捕获来自EVAL-CN0335-PMDZ电路板的数据。

　　设备要求

　　。带USB端口的Windows XP、Windows Vista(32位)或Windows 7/8(64位或32位)PC

　　。EVAL-CN0335-PMDZ电路评估板

　　。EVAL-SDP-CB1Z SDP评估板

　　。SDP-PMD-IB1Z转接板

　　。CN0335评估软件

　　。精密电压源

　　开始使用

　　将CN0335评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。也可以从CN0335评估软件中下载最新版的评估软件。打开“我的电脑”，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开setup.exe.按照屏幕上的提示完成安装。建议将所有软件安装在默认位置。

　　功能框图

　　图5所示为测试设置的功能框图。

　　设置

　　1.通过直流管式插孔将EVAL-CFTL-6V-PWRZ(+6 V直流电源)连接到SDP-PMD-IB1Z转接板。

　　2.通过120引脚ConA连接器将SDP-PMD-IB1Z(转接板)连接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。

　　3.通过USB电缆将EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)连接到PC.

　　4.通过12引脚接头Pmod连接器将EVAL-CN0335-PMDZ评估板连接到SDP-PMD-IB1Z转接板。

　　5.通过端子板J2将电压源(电压生成器)连接到EVAL-CN0335-PMDZ评估板。

　　测试

　　启动评估软件。如果“设备管理器”中出现“Analog Devices System Development Platform(ADI系统开发平台)”驱动器，软件便能与SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用SDP板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0335-PMDZ板的串行数据。可将各种输入电压值保存到电脑中。有关如何使用评估软件来捕捉数据的详细信息，请参阅CN0335软件用户指南。

　　EVAL-CN0335-PMDZ板照片如图6所示。

图5.测试设置功能框图

图6. EVAL-CN0335-PMDZ板的照片