针对工业过程控制和自动化的高阻抗、高CMR、±10 V模拟前端信号调理 (CN0225)

图1所示电路是一个完整的模拟前端，它利用一个16位差分输入PulSAR® ADC对±10 V工业级信号进行数字转换。该电路仅利用两个模拟器件，来提供一路具有高共模抑制(CMR)性能的高阻抗仪表放大器输入、电平转换、衰减和差分转换功能。由于具有高集成度，该电路可节省印刷电路板空间，为常见的工业应用提供高性价比解决方案。

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±10 V。而来自热电偶和称重传感器等传感器的信号输入则较小，因此常常会遇到大共模电压摆幅，这就需要灵活的模拟输入，它能以高共模抑制性能处理大小差分信号，同时具有高阻抗输入。

图1. 适合工业过程控制应用的高性能模拟前端（原理示意图：所有连接和去耦均未显示）

 

用现代低压ADC处理工业级信号时，必须进行衰减和电平转换。此外，全差分输入ADC具有以下优势：良好的共模抑制性能，更少的二阶失真产物，以及简化的直流调整算法。因此，工业信号需要经过进一步调理才能与差分输入ADC正确接口。

图1所示电路是一个完整且具有高集成度的模拟前端工业级信号调理器，仅使用两个有源器件来驱动差分输入16位PulSAR ADC AD7687 ：精密仪表放大器（片内集成两个辅助运算放大器） AD8295 precision in-amp (with two on-chip auxiliary op amps) 和电平转换器/ADC驱动器AD8275 。低噪声2.5V XFET®基准电压源 ADR431 为ADC提供基准电压。

AD8295是一款精密仪表放大器，片内集成两个非专用信号处理放大器和两个精密匹配的20 kΩ电阻，采用4 mm × 4 mm封装。

AD8275是一款G = 0.2差动放大器，可以用来衰减±10 V工业信号，衰减后的信号可以与单电源低压ADC轻松接口。AD8275在该电路中执行衰减和电平转换功能，可以保持良好的CMR，无需任何外部元件。

AD7687是一款16位逐次逼近型ADC，采用2.3 V至5.5 V的单电源供电。它采用差分输入，具有良好的CMR，并且能够简化SAR ADC的使用。

该电路由用作模拟前端电路的AD8295和AD8275、ADC AD7687以及基准电压源ADR431组成，只需少量外部元件进行去耦等。

仪表放大器（集成于 AD8295）
AD8295中集成的仪表放大器(IA)的工作条件设置为1倍的增益。如果应用需要更高的增益，可以增加一个适当的外部增益电阻。AD8295的电源为±15 V，完全支持±10 V工业输入信号电平。仪表放大器的基准电压引脚接地，因此AD8295的输出以地为基准。

差动放大器/衰减器( AD8275)
AD8295仪表放大器输出单端信号，最大幅度为±10 V。必须将该信号衰减并转换到适当的电平，以便驱动AD7687 ADC。如果在AD8295的输出端直接使用一个简单的阻性电平衰减器级，将无法提供差分输出来驱动ADC。AD8275 (G = 0.2)电平转换器是一个差动放大器，内置精密激光调整匹配薄膜电阻，可确保低增益误差、低增益漂移（最大1 ppm/°C）和高共模抑制（80 dB）特性。AD8275具有+3.3 V至+15 V的宽电源电压范围，采用+5 V单电源供电时，输入电压范围宽达−12.3 V至+12 V。

图1所示电路使用一个平衡差动放大器，它由AD8275 (U2)和AD8295中的一个非专用运放(U1-C)组成。此运放(U1-C)用于反转AD8275的正输出（从而提供互补的负输出），并且驱动AD8275的REF1和REF2引脚。差分输出的输出共模电压(VCOM = 1.25 V)由连接到2.5 V基准电压源的10 kΩ外部电阻分压器产生，并且应用于U1-C的同相输入。描述电路操作的方程式如下：

VOUTP + VOUTN = 2 × VCOM
VOUTP = VOUTN + 0.2 × VIN
VOUTP = VCOM + 0.1 × VIN
VOUTN = VCOM − 0.1 × VIN

根据以上方程式，对于±10 V输入电压，ADC的各输入电压（VOPTP和VOUTN）摆幅为0.25 V至2.25 V，彼此180°反相，共模电压为1.25 V。因此，差分信号使用ADC可用差分输入范围5 V中的4 V。

ADR431是2.5 V XFET系列基准电压源，具有低噪声、高精度和低温度漂移性能。ADR431驱动电阻分压器和AD7687 ADC的基准电压输入。ADR431输出由AD8295中的另一个非专用运放(U1-B)缓冲，并且驱动AD7687的电源(VDD)。由两个33 Ω电阻和一个1.5 nF电容组成的一个单极点RC滤波器充当AD7687的3 MHz截止抗混叠和降噪滤波器。

布局布线考虑
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布局的详情，请参见指南 Tutorial MT-031、 MT-101和“高速印刷电路板布局实用指南”一文。

图2. Kaiser窗口（参数 = 20）、20 kHz输入、250 kSPS采样速率下的FFT

 

系统性能
交流性能在系统级进行测试，AD7687的采样速率为250 kSPS。图2所示为5 V p-p 20 kHz输入时的FFT测试结果。图3所示为10 V DC输入时的ADC输出直方图。

评估软件产生的结果如下：

图3. 10 V DC输入时的直方图，15,000个样本

 

PulSAR系列的其它引脚兼容差分输入16位ADC提供不同的采样速率： AD7684 (100 kSPS)、 AD7688 (500 kSPS)和AD7693 (500 kSPS)。

如果需要18位分辨率，下列器件也是PulSAR系列的引脚兼容产品：AD7691 (250 kSPS)、 AD7690 (400 kSPS)和AD7982(1 MSPS)。

ADC的基准电压源可以换用2.048 V ADR430，它支持使用ADC更大比例的输入范围，不过 AD7687将需要额外的AVDD电源。

本电路使用EVAL-CN0225-SDPZ电路板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)评估板。这两片板具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。EVAL-CN0225-SDPZ板包含要评估的电路，如本笔记所述。SDP评估板与CN0225评估软件一起使用，可从EVAL-CN0225-SDPZ电路板获取数据。

设备要求

开始使用
将CN0225评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。

功能框图
图4所示为测试设置的功能框图。PDF文件“EVAL-CN0225-SDPZ-SCH”包含CN0225评估板的详细原理图。此文件位于CN0225设计支持包中：www.analog.com/CN0225-DesignSupport

图4. 测试设置功能框图

 

设置
EVAL-CN0225-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上标有“CONA”的连接器。应使用尼龙五金配件，通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。将直流输出电源成功设置为+15 V、-15 V和+6 V输出后，关闭电源。

在断电情况下，将一个+15 V电源连接到标有“+15 VA”的J3引脚，将一个−15 V电源连接到标有“−15 VA”的J3引脚，将“GND”连接到标有“AGND”的J3引脚。以同样方式将+6 V连接到J2。接通电源，然后将SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注意：接通EVAL-CN0225-SDPZ的直流电源之前，请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。

测试
设置好电源并将它连接到EVAL-CN0225-SDPZ电路板后，启动评估软件，并通过USB电缆将PC连接到SDP板上的微型USB连接器。如果设备管理器中列出了Analog Devices System Development Platform驱动器，软件将能与SDP板通信。