CN0292 4 mA至20 mA輸入配置 通過499 Ω電阻將電壓輸入接地，電路可用作4通道、0 mA至20 mA單端輸入。 由于滿量程信號(hào)約為ADC范圍的一半，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍降低1位。 通過外部適當(dāng)連接J2連接器，可將輸入重新配置為電流輸入。 例如，若通道1工作在電壓模式下，則電壓施加在J2端點(diǎn)1，而端點(diǎn)3接地。若工作在電流模式下，則電流施加在端點(diǎn)1和端點(diǎn)2，而端點(diǎn)3接地。 表2. 用于電壓和電流輸入選項(xiàng)的J2連接 輸入 電壓模式輸入端點(diǎn) 電流模式輸入端點(diǎn) 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輸入配置 在圖1電路中，AD8475選擇0.4×增益配置。 若選擇0.8×增益，則滿量程范圍將從±10 V下降到±5 V，導(dǎo)致靈敏度翻倍。 使用4 mA至20 mA輸入和250 ?端接電阻時(shí)，0.8×增益選項(xiàng)還可充分利用ADC輸入范圍。 實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬 改變ADA4000-4的輸入緩沖器并降低第二級(jí)輸入濾波器電容，便可增加輸入帶寬。 同時(shí)還可大幅提升交流信號(hào)測(cè)量的失真性能。 將設(shè)計(jì)擴(kuò)展至8通道 由緩沖器、多路復(fù)用器和衰減器組成的第二條通道可連接至AD7176-2 ADC的AN2/AN3輸入，實(shí)現(xiàn)8通道操作。 但是，同一時(shí)間自動(dòng)按時(shí)序操作的通道數(shù)不可超過4個(gè)；建議讓ADC工作在單次轉(zhuǎn)換模式下，并每經(jīng)過4次通道轉(zhuǎn)換便重新配置通道映射。 AD7173-8集成4位GPIO，可在外部多路復(fù)用器的16條通道之間實(shí)現(xiàn)時(shí)序操作。AD7173-8速度較慢（6.21 kSPS通道開關(guān)速率），但功耗比AD7176-2更低。 設(shè)備要求 需要使用以下設(shè)備: EVAL-CN0292-SDZ 評(píng)估板? EVAL-SDP-CB1Z 系統(tǒng)演示平臺(tái)? CN-0292評(píng)估軟件 5 V/1 A直流電源，或壁式電源適配器 ? 精密直流電壓源(Fluke 5700) ? 數(shù)字萬用表(Agilent 3458) ? 低噪聲、精密電壓源（建議使用電池組） ? 帶USB端口的PC，運(yùn)行Windows? XP (SP2)、Windows Vista或Windows 7（32位或64位） ? 軟件安裝 完整的軟件用戶指南可參見 CN-0292用戶指南. CN-0292評(píng)估套件要求使用自安裝軟件，下載地址為：ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0292/。該軟件兼容Windows XP (SP2)、Windows Vista和Windows 7（32位或64位）。 如果安裝文件未自動(dòng)運(yùn)行，請(qǐng)運(yùn)行setup.exe文件。 請(qǐng)先安裝評(píng)估軟件，再將評(píng)估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識(shí)別評(píng)估系統(tǒng)。 完成評(píng)估軟件安裝后，將EVAL-SDP-CB1Z（通過連接器A或連接器B）連接到EVAL-CN0292-SDZ，然后利用附送的電纜將EVAL-SDP-CB1Z連接到PC的USB端口。 檢測(cè)到評(píng)估系統(tǒng)后，確認(rèn)出現(xiàn)的所有對(duì)話框，完成安裝。 設(shè)置與測(cè)試 圖8顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖 ? 圖8. 測(cè)試設(shè)置功能框圖 ? 為測(cè)試該電路，需要如下硬件設(shè)備: 將EVAL-CN0292-SDZ板上的所有鏈路設(shè)為默認(rèn)的位置A（這樣可將板配置為通過isoPower?和LDO并采用±15 V和5 V電源上電）。 ? 利用連接J14的5 V/1 A直流電源為板上電（參見圖10）。 ? 通過J2連接器上的V4將±10 V單端信號(hào)連接到V1。 ? 為獲得最優(yōu)性能，建議采用下列ADC軟件配置: 使能GPIO Mux（GPIO多路復(fù)用器）。 將Delay Conversion（延遲轉(zhuǎn)換）設(shè)為4 μs。 使能 Data + Status（數(shù)據(jù)+狀態(tài)）. 使能待測(cè)通道 選擇外部基準(zhǔn)電壓源。 保留其他寄存器的復(fù)位值。 如需手動(dòng)選擇通道，可禁用GPIO Mux（GPIO多路復(fù)用器），使能GPIO 0 Output（GPIO 0輸出）和GPIO 1 Output（GPIO 1輸出），然后設(shè)置GPIO 0 Data（GPIO 0數(shù)據(jù)）和GPIO 1 Data（GPIO 1數(shù)據(jù)）上的通道數(shù)。 至此完成測(cè)試設(shè)置的配置（參見圖9）。 將樣本數(shù)設(shè)為1000，然后單擊Start Sampling（開始采樣）。 收集到樣本后，結(jié)果顯示在主波形圖上。 注意，電壓讀數(shù)以ADC輸入為基準(zhǔn)；因此，J2/J15上的10 V輸入產(chǎn)生的軟件讀數(shù)約為4 V。 ? 圖9. 42 kSPS時(shí)的4通道多路復(fù)用轉(zhuǎn)換ADC配置 ? 圖10. EVAL-CN0292-SDZ評(píng)估板連接EVAL-SDP-CB1Z SDP板的照片 ? 信號(hào)路徑 采用ADA4096-4緩沖4個(gè)輸入信號(hào)通道；該器件是一款四通道軌到軌輸入/輸出運(yùn)算放大器，針對(duì)高于或低于±15 V供電軌達(dá)32 V的輸入，具有防止發(fā)生反相或閂鎖的過壓保護(hù)功能， 因而無需額外的過壓保護(hù)電路。 T輸入針對(duì)±10 V典型低頻工業(yè)信號(hào)設(shè)計(jì)。輸入緩沖器為信號(hào)源提供高阻抗，并將輸入與多路復(fù)用器開關(guān)瞬態(tài)隔離。 緩沖器輸入端的RC網(wǎng)絡(luò)(10 Ω/10 nF)帶寬為1.6 MHz，具有高頻噪聲濾波功能。 ADA4096-4輸出端的RC網(wǎng)絡(luò)(47 Ω/47 nF)可將緩沖器與多路復(fù)用器開關(guān)瞬態(tài)隔離。 圖2顯示等效電路。 輸入電壓必須對(duì)漏極電容CD充電，才能切換至下一通道。 通道間電壓可高達(dá) 20 V，且多路復(fù)用器切換至下一通道時(shí)可產(chǎn)生瞬態(tài)電流。 ? 圖2. RC反沖隔離電路 ? ADG1204多路復(fù)用器具有低漏極電容(<4 pF)，可最大程度減少反沖電荷。 采用ADA4898-1運(yùn)算放大器緩沖多路復(fù)用器輸出，以防載入開關(guān)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的誤差。ADA4898-1是一個(gè)單位增益穩(wěn)定的器件，可在不到85 ns時(shí)間內(nèi)建立至0.1%，輸入電壓噪聲僅為 0.9 nV/√Hz。 緩沖器在最差情況下的輸入信號(hào)為±10 V、21 kHz方波信號(hào)；此時(shí)，兩個(gè)鄰道的輸入端分別具有滿量程正電壓和滿量程負(fù)電壓。 ADA4898-1輸入端的RC網(wǎng)絡(luò)(1.8 kΩ/68 pF)帶寬為1.3 MHz，可用作寬帶噪聲濾波器。該濾波器的時(shí)間常數(shù)為122 ns，16位建立時(shí)間約為1.34 μs（約11個(gè)時(shí)間常數(shù)）。 ADA4898-1緩沖器輸出驅(qū)動(dòng)AD8475精密差分漏斗放大器；后者可將雙極性、單端±10 V信號(hào)轉(zhuǎn)化為±4 V差分信號(hào)并以2.5 V共模電壓為中心。AD8475集成經(jīng)過調(diào)整和匹配的精密電阻， 其增益配置為0.4×，可接受±12.5 V輸入，并采用5 V單電源供電。 共模電壓由AD7176-2 ADC的REFOUT引腳(2.5 V)提供。 AD7176-2差分輸入范圍由ADR4550 5 V基準(zhǔn)電壓源設(shè)為±5 V。 AD7176-2可同時(shí)用作ADC和多路復(fù)用器控制器。使能MUX_IO位可導(dǎo)致AD7176-2的GPIO引腳與ADC通道序列和轉(zhuǎn)換的同步切換；因此，通道的改變與ADC同步，無需任何外部同步。 GPIO引腳能為數(shù)字接口節(jié)省兩條原本控制多路復(fù)用器所需的控制線。 通過AD7176-2可配置0 μs至1 ms可編程轉(zhuǎn)換延遲。 轉(zhuǎn)換延遲是每次通道發(fā)生變化（由GPIO位控制）與轉(zhuǎn)換開始之間的延遲。 延遲調(diào)節(jié)允許多路復(fù)用器和調(diào)理電路具有額外的建立 時(shí)間。 信號(hào)路徑上的所有元件均針對(duì)兼容42 kSPS通道開關(guān)速率的最小總建立時(shí)間而選擇。 因此，電路具有低于?90 dB滿量程信號(hào)的通道間低頻串?dāng)_性能。 通道開關(guān)和轉(zhuǎn)換開始之間可插入一個(gè)可編程轉(zhuǎn)換延遲，從而在需要進(jìn)一步優(yōu)化的場(chǎng)合允許電路以最大建立時(shí)間驅(qū)動(dòng)ADC。 數(shù)字隔離和isoPower ADUM3471是一個(gè)四通道數(shù)字隔離器，集成脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器和低阻抗變壓器驅(qū)動(dòng)器（X1和X2）。 隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器僅需一個(gè)變壓器（Coilcraft KA4976-AL，1:5匝數(shù)比， 64 μH初級(jí)電感）和一個(gè)簡(jiǎn)單全波肖特基二極管整流器（四個(gè)SD103AW-7-F二極管）。 采用5 V或3.3 V輸入電源時(shí)，電源電路最高可提供2 W調(diào)節(jié)隔離功率，因而無需另外使用隔離 式DC-DC轉(zhuǎn)換器。 iCoupler?芯片級(jí)變壓器技術(shù)用于隔離邏輯信號(hào)；集成的變壓器驅(qū)動(dòng)器帶隔離副邊控制功能，可以提高隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率。 內(nèi)部振蕩器頻率可以在200 kHz至1 MHz范圍內(nèi)調(diào) 節(jié)，由連接OC引腳的電阻值決定。 當(dāng)該電阻等于100 kΩ時(shí)，開關(guān)頻率為500 kHz。 ADuM3471調(diào)節(jié)來自正電源。用于調(diào)節(jié)的反饋來自分壓器網(wǎng)絡(luò)；該分壓器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)以下要求選擇：當(dāng)輸出電壓為16.76 V時(shí)，反饋電壓為1.25 V。反饋電壓與ADuM3471的1.25 V內(nèi)部反 饋設(shè)定點(diǎn)電壓相比較。調(diào)節(jié)通過改變驅(qū)動(dòng)外部變壓器PWM信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)。 ADP7102 LDO調(diào)節(jié)器可將16.76 V輸出電壓向下調(diào)節(jié)至15 V。來自變壓器的未調(diào)節(jié)負(fù)整流電壓約為?21 V。ADP7182負(fù)調(diào)節(jié)器用來提供?15 V調(diào)節(jié)電壓。然后，±15 V調(diào)節(jié)電壓用來為高 壓元器件供電（ADA4096-4、ADG1204和ADA4898-1）。 性能測(cè)量 無噪聲碼分辨率 通道輸入短路至GND時(shí)，電路測(cè)量的17位無噪聲碼分辨率如圖3所示。 圖3. 42 kSPS開關(guān)速率下的噪聲和分辨率 ? 在通道之間進(jìn)行多路復(fù)用時(shí)的建立時(shí)間 9.6 V信號(hào)源（電池組）連接系統(tǒng)用作通道1和通道3的輸入。?9.6 V信號(hào)源連接通道2和通道4。 . 多路復(fù)用器可手動(dòng)設(shè)為通道1，方法是將GPIO位設(shè)為00；然后便可得到1000個(gè)樣本的直方圖，如圖4所示。無噪聲碼分辨率優(yōu)于16位。 圖4. 單通道9.6 V轉(zhuǎn)換直方圖 ? 然后，使能多路復(fù)用器（42 kSPS，4 μs延遲），獲取通道1的1000個(gè)樣本直方圖，如圖5所示。 無噪聲碼分辨率優(yōu)于16位。 ? 每種配置均可獲得優(yōu)于16位的無噪聲碼分辨率；在通道之間進(jìn)行多路復(fù)用時(shí)，失調(diào)平均值略有漂移，如圖6所示。 42 kSPS時(shí)漂移約為300 μV（15 ppm FS，或16位時(shí)1 LSB），并且 可通過加入更多轉(zhuǎn)換延遲而降低（在AD7176-2的ADC模式寄存器中配置），因此允許轉(zhuǎn)換以前具有更多建立時(shí)間。 圖6. 帶與不帶多路復(fù)用時(shí)的通道1轉(zhuǎn)換直方圖 ? 積分非線性使 用Fluke 5700多功能校準(zhǔn)儀和Agilent 3458萬用表，能在?11 V至+11 V范圍內(nèi)對(duì)積分非線性(INL)以1 V步進(jìn)進(jìn)行測(cè)量。 測(cè)量結(jié)果如圖7所示；圖中的端點(diǎn)線性度誤差校準(zhǔn)至零。 AD7176-2的典型INL規(guī)格為±3 ppm FS。板上的其他器件同樣會(huì)產(chǎn)生非線性，但并非所有非線性都在同樣的電壓下達(dá)到峰值；因此，可得到一個(gè)U型曲線，如圖7所示。 .? 圖7. INL（以FSR的ppm表示）與輸入電壓的關(guān)系 ? 若校準(zhǔn)寄存器采用默認(rèn)值，則?11 V至+11 V范圍內(nèi)計(jì)算的失調(diào)和增益誤差分別為318 μV和0.04% FS（25°C時(shí)）。 表1顯示每個(gè)器件隨溫度變化而產(chǎn)生的失調(diào)和增益漂移貢獻(xiàn)。 表1. 失調(diào)和增益漂移貢獻(xiàn) ?產(chǎn)品型號(hào) ?失調(diào)漂移 ?增益漂移 ?ADA4096-4 ?0.4 μV/°C ?不適用 ?ADA4898-1 ?0.4 μV/°C ?不適用 ?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的完整設(shè)計(jì)支持包（包括原理圖、布局文件、裝配圖和物料清單）可參見CN-0292設(shè)計(jì)支持包。 CN0292 用于工業(yè)電平信號(hào)的完全隔離式魯棒型4通道多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) CN0292 圖1中的電路是一個(gè)完全隔離、魯棒、4通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提供16位、無噪聲代碼分辨率和高達(dá)42 kSPS的自動(dòng)通道開關(guān)速率。 由于在多路復(fù)用信號(hào)鏈上選擇了獨(dú)特的快速建立時(shí)間元件，因而42 kSPS開關(guān)速率下的通道間串?dāng)_低于15 ppm FS（低于?90 dB）。 該電路獲取并數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)電平，包括：±5 V、±10 V、0 V至10 V和0 mA至20 mA。 輸入緩沖器還提供過壓保護(hù)，從而消除了傳統(tǒng)肖特基二極管保護(hù)電路的相關(guān)漏電流誤差。 本電路的應(yīng)用包括過程控制（PLC/DCS模塊）、電池測(cè)試、科學(xué)多通道儀器和色譜儀。 圖1. 4通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能框圖（原理示意圖： 未顯示所有連接和去耦） ? cn0292(analog)