CN0350 經驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩定地工作，并具有良好的精度。 可在該配置中采用其他精密運算放大器和其他ADC，以將±1000 pC輸入電荷范圍轉換成數字輸出，用于本電路的各種其他應用中。 可依據“電路設計”部分的等式，針對±1000 pC輸入電荷范圍以外進行設計，如圖1所示。 連接器TP3和TP4可用于將額外的電容與C2并聯起來，以構建其他范圍的電路。 連接器TP1和TP2可用于將額外的電容與CCAL并聯起來，以校準其他范圍的電路。 AD7091與AD7091R類似，但沒有基準電壓輸出，而且輸入范圍等于電源電壓。AD7091可與2.5 V ADR3425基準電壓源配合使用。ADR3425不需要緩沖，因此可在電路中使用單通道AD8605和雙通道AD8606。 ADR3425是一款精密2.5 V帶隙基準電壓源，具有低功耗、高精度（溫度漂移為8 ppm/°C）等特性，采用6引腳SOT-23封裝。 AD8601、AD8602和AD8604分別為單通道、雙通道和四通道軌到軌、輸入和輸出、單電源放大器，具有超低失調電壓和寬信號帶寬等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608。 AD7457是一款12位、100 kSPS、低功耗SAR ADC，在不需要高吞吐速率的情況下，可以與ADR3425基準電壓源相配合，用于代替AD7091R。 本電路采用EVAL-CN0350-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z和 EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP)評估板。 轉接板SDP-PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引腳對接連接器。 轉接板和EVAL-CN0350-PMDZ板采用12引腳PMOD對接連接器，可快速進行設置和評估電路性能。 EVAL-CN0350-PMDZ板包含要評估的電路（如本筆記所述），SDP評估板與CN0350評估軟件配合使用，以捕獲來自EVAL-CN0350-PMDZ電路板的數據。 設備要求 帶USB端口的, Windows? XP or Windows Vista? (32-bit), or Windows? 7/8 (64-bit or 32-bit) EVAL-CN0350-PMDZ 電路評估板 EVAL-SDP-CB1Z SDP 評估板 SDP-PMD-IB1Z 轉接板 EVAL-CFTL-6V-PWRZ 電源 CN0350 評估軟件 精密電壓發生器 開始使用 將CN0350評估軟件光盤放進PC的光盤驅動器，加載評估軟件。 也可以從CN0350評估軟件中下載最新版的評估軟件。 打開“我的電腦”，找到包含評估軟件光盤的驅動器，打開文件setup.exe。按照屏幕上的提示完成安裝。 建議將所有軟件安裝在默認位置。 功能框圖 圖6所示為測試設置的功能框圖。 設置 通過直流管式插孔將EVAL-CFTL-6V-PWRZ（+6 V直流電源）連接到SDP-PMD-IB1Z轉接板 通過120引腳ConA連接器將SDP-PMD-IB1Z（轉接板）連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板 通過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z（SDP板）連接到PC 通過12引腳接頭PMOD連接器將EVAL-CN0350-PMDZ評估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉接板 通過端子板J1Test將電壓發生器連接到EVAL-CN0350-PMDZ評估板 啟動評估軟件。 如果設備管理器中列出了Analog Devices系統開發平臺驅動器，軟件將能與SDP板通信。 一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發送、接收、捕捉來自EVAL-CN0350-PMDZ板的串行數據。 可將各種輸入電壓值保存到電腦中。 有關如何使用評估軟件來捕獲數據的信息和詳情，請參見CN0350軟件用戶指南。 ? 圖6. 測試設置功能框圖 ? 圖 7. EVAL-CN0350-PMDZ板的照片 ? 該電路由一個輸入信號調理級和一個ADC級構成。 電流輸入信號由電荷-電壓轉換器（運算放大器U1A的電荷放大器和電容C2）轉換成電壓，并由同相放大器（運算放大器U1D和電阻R7和R8）放大。 ADC的基準電壓(VREF =2.5 V)經過緩沖和衰減（運算放大器U1B和U1C以及電阻R1和R2），產生1.25 V的失調HREF，用于將來自傳感器的交流信號調理至ADC的輸入范圍之內。 運算放大器U1A、U1B、U1C和U1D都是四通道AD8608。 U1D運算放大器的輸出為0.1 V至2.4 V，與ADC的輸入范圍（0 V至2.5 V）相匹配，同時提供100 mV的裕量以保持線性度。 電阻值和電容值可以修改，以適應本電路筆記描述的其他傳感器范圍。 AD8608的最小額定輸出電壓為50 mV（2.7 V電源）和290 mV（5 V電源），負載電流為10 mA，溫度范圍為-40℃至+125°C。在3.3 V電源、負載電流低于1 mA、溫度范圍更窄的情況下，保守估計最小輸出電壓為45 mV至60 mV。 該電路設計支持單電源供電。 考慮到器件的容差，最小輸出電壓（范圍下限）設為100 mV，以提供安全裕量。 輸出范圍的上限設為2.4 V，以便為ADC輸入端的正擺幅提供100 mV的裕量。 因此，輸入運算放大器的標稱輸出電壓范圍為0.1 V至2.4 V。 本應用中選用AD8608的原因是該器件具有低偏置電流（最大值1 pA）、低噪聲（最大值12 nV/√Hz）和低失調電壓（最大值65 μV）等特性。 在3.3V電源下，功耗僅為15.8 mW。 運算放大器的輸出級后接一個單極點RC濾波器(R6/C8)，用于降低帶外噪聲。 RC濾波器的截止頻率設為664 kHz。 選擇AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是因為其在3.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，僅為349 μA，顯著低于當前市場上競爭對手的任何ADC。 AD7091R還內置一個2.5 V的基準電壓源，其典型漂移為±4.5 ppm/°C。輸入帶寬為7.5 MHz，且高速串行接口兼容SPI。 AD7091R采用小型10引腳MSOP封裝。 采用3.3V電源供電時，該電路的總功耗約為17 mW。 AD7091R需要50 MHz的串行時鐘(SCLK)，方能實現1 MSPS的采樣速率。在多數壓電傳感器應用中，都可以使用較低的采樣速率。 對于本電路筆記中采用的測試數據，SCLK為30 MHz，采樣速率為300 kSPS。 數字SPI接口可以用12引腳且兼容PMOD的連接器（Digilent PMOD規格）連接到微處理器評估板。 電路設計 圖2所示電路將輸入電荷轉換成電壓，并將其電平轉換至ADC的輸入范圍（0.1 V至2.4 V）內。 圖2. 電荷輸入信號調理電路 ? 壓電元件通常用于測量加速度和振動。 這里將壓電晶體與質量塊m配合使用。當質量塊受到加速度a影響時，則質量塊和壓電晶體上將產生慣性力F = m × a。 因此，該晶體會獲得電荷q = d × F，其中，d（單位為庫侖/牛頓，C/N）為晶體電荷對力的靈敏度。 因此，壓電加速度計的穩定狀態電荷靈敏度Sa為Sa = Δq/Δa （單位為C × s2/m）。 注意，加速度可以用關系1 g = 9.81 m/s2轉換成g。 如果將加速度計與帶反饋電容C2的電荷放大器配合使用（如圖2所示），則C2上因電荷Δq而形成的電壓為ΔV = Δq/C2。 對應的穩定狀態電壓靈敏度為： 圖1中信號調理電路的第一級為電荷放大器（U1A和電容C2），其中，輸出電壓根據等式1而變化。該電路的輸出經過轉換，以處理雙極性輸入信號（如振動測量）。 利用1.25 V的基準電壓源，該電路的零電平會轉換至ADC輸入范圍的中點。電荷放大器的輸出電壓為： 圖1中信號調理電路的第二級是一個同相放大器，其輸出電壓為： 電阻R3（陶瓷傳感器為100 MΩ至10 GΩ，晶體傳感器為10 GΩ至10 TΩ）為運算放大器提供直流反饋，并提供輸入偏置電流。 對于測得的最小頻率，該電阻必須盡量小，并決定著頻率輸入范圍的最低限值。 在低頻下，轉折頻率fCL約為： 將一個電阻R4（1 k?至10 k?）與運算放大器反相輸入端串聯，有助于提高穩定性和限制意外高輸入電壓導致的輸入電流。 進一步提高R4會導致高頻響應下降。 在高頻下，R4可以與傳感器的阻抗ZS相當（1/ωCS，其中CS為壓電傳感器的電容）。 高頻條件下的轉折頻率fCH為： 利用等式1至等式5，可以算出具體應用的電路參數（C2、R7、R8、fCL和fCH）。 例如，Kistler型8002K石英加速度計具有以下規格： 范圍: ±1000 g 靈敏度：1 pC/g 電容：90 pF（典型值） 頻率響應：?1%, +5% ≈0 Hz至6000 Hz 絕緣電阻：大于1013Ω 對于VO1下的輸出電壓擺幅±1 V，可利用等式1計算C2。 對于0.1 V至2.4 V (1.25 V ± 1.15 V)的ADC輸入電壓擺幅，同相放大器的增益必須等于1.15，R7/R8比值 = 0.15。 如果選擇一個標準值電阻R7 =10 k?，則R8 = 66.67 k?。 選擇R3 = 100 MΩ并忽略運算放大器的輸入電阻和壓電傳感器的絕緣電阻。 低頻條件下的轉折頻率為（見等式4）： 選擇R4 =1 kΩ時，高頻條件下的轉折頻率為（見等式5）： 因此，保護電阻R4 = 1 kΩ不影響高通頻率響應，因為傳感器的頻率響應上限只有6 kHz。 從等式3，可得到信號調理電路的增益： 相對增益誤差為： 根據對數導數原理，得出： 對lnGAIN求導得到： 如果器件R7、R8和C2的容差為1%，則可估算出求和增益誤差。 最差條件下的相對增益誤差： 均方誤差（和方根誤差）： 從等式3，可得到信號調理電路的輸出失調為： 相對失調誤差為： 如果R1、R2和VREF的容差為1%，可以估算出求和失調誤差。 完成校準過程后，電阻容差、AD8608運算放大器的失調(75 μV)以及ADC AD7091R導致的誤差均消除。 依然有必要計算并驗證U1D運算放大器輸出在所需的范圍內（0.1 V至2.4 V）。 電阻和基準電壓源溫度漂移導致的增益和失調誤差 利用等式7和等式9，可以算出元件溫度漂移導致的誤差。 例如，如果電阻溫度漂移為±100 ppm/°C，且基準電壓漂移為±25 ppm/°C，則在最差條件下，增益誤差小于±0.013%/°C，而失調誤差約為±0.01%/°C，這相當于在±10°C的溫度變化范圍內，總誤差小于±0.25%。 有源元件溫度系數對總誤差的影響? AD8608運算放大器(75 μV)和AD7091R ADC的直流失調由校準程序消除。 AD7091R內置基準電壓源的失調漂移典型值為4.5 ppm/°C，最大值為25 ppm/°C AD8608運算放大器的失調漂移典型值為1.5 μV/°C，最大值為6 μV/°C。 注意，如果采用100 ppm/°C電阻，則總漂移的最大來源是電阻漂移，有源元件產生的漂移可忽略不計。 校準與測試 在將電荷放大器與傳感器連接之前，應對其靈敏度進行測試，以便對系統增益進行校準。 圖3所示為一種不需要應用任何機械負載（加速度、力、壓力等）的電子校準系統。 由與校準電容CCAL串聯的一個可調幅度和頻率低阻抗輸出電壓源來驅動電荷輸入。 該電壓源的輸出必須相對于電路板接地電壓保持浮動，以便能在1.25 V的HREF共模電壓下工作。 圖3. 校準電荷輸入信號調理電路 ? 輸入電荷量為Q = CCAL × VIN。 例如，一個幅度為1 V的輸入正弦波電壓和一個1 nF的校準電容可產生±1000 pC的峰值電荷輸入。 這可用來校準系統。 重要的是，CCAL要選用容差不大于1%的電容，以最大程度地減少誤差。 請注意，CCAL的容差會影響校準精度。 C2的容差決定輸出范圍，但C2的溫度變化會影響精度。 在此基礎上，可以利用外部仿真電容CSIM來檢查和調節電路。 檢查電路的另一種方式是使用CAL輸入和可調電壓源。 出于校準和仿真需要，可以在TP1和TP2之間并聯一個值和精度適當的外部電容來更改電容CCAL。 對于其他輸入范圍，則可在TP3和TP4之間并聯一個值和精度適當的外部電容來更改電容C2。 圖4所示為在1V 1 kHz正弦波輸入和CSIM = 1 nF條件下測得的ADC輸出。 因此，電荷輸入為±1000 pC。 圖4. ±1000 pC輸入電荷、1 kHz正弦波條件下的ADC輸出 ? 圖5所示為使用Loudity LD-BZPN-2312壓電傳感器時的實際輸出，其中，以一個正弦波振動約為120 Hz的揚聲器實現激勵。 該電路以1 V的峰值輸入正弦波電壓和CCAL = C2 = 10 nF進行校準。 圖5. LD-BZPN-2312壓電傳感器的實測輸出（以120 Hz正弦波版揚聲器實現激勵） ? 印刷電路板(PCB)布局考量 在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。 PCB必須盡可能隔離數字部分和模擬部分。 該系統的PCB采用簡單的雙層板堆疊而成，但采用4層板可以得到更好的EMS性能。 有關布局和接地的詳細論述，請參見MT-031指南；有關去耦技術的信息，請參見MT-101指南。 AD8608的電源必須用10 μF和0.1 μF電容去耦，以適當地抑制噪聲并減小紋波。這些電容須盡可能靠近相應器件，0.1 μF電容應具有低ESR值。 對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。 電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應。 用于調理壓電傳感器輸出的高阻抗電路需要注意電阻、絕緣（電介質）和布線。 電荷放大器的低阻抗輸入電路可大幅減少布線問題，但對電阻、絕緣體和靜電計放大器布局的要求也適用于采用分立式元件構建的電荷放大器。 建議在印刷電路板兩側的敏感輸入端周圍放置一個保護環，以最大限度地減少輸入漏電流。 保護環環繞在正端四周，并連接到基準（共模）電壓源HREF。 有關完整文檔包，包括原理圖、電路板布局和物料清單(BOM)，請參考：www.analog.com/CN0350-DesignSupport。 CN0350 12位、1 MSPS單電源雙芯片數據采集系統，用于壓電傳感器 圖1所示電路是只采用了2個有源器件的12位、1 MSPS數據采集系統。該系統用3.3 V單電源功能，能夠處理來自壓電傳感器的電荷輸入信號，在±10°C溫度范圍內，其校準后總誤差小于0.25% FSR，是各種實驗室和工業測量的理想之選。 該電路的小巧尺寸使得該組合成為業界領先的數據采集系統解決方案，在這種系統中精度、速度、成本和尺寸極為關鍵。 圖1. 針對面向壓電傳感器的電荷輸入單電源電荷輸入數據采集系統（未顯示所有連接和去耦） ? CN0350 CN0350 | circuit note and reference circuit info 12位、1 MSPS單電源雙芯片數據采集系統，用于壓電傳感器 | Analog Devices 圖1所示電路是只采用了2個有源器件的12位、1 MSPS數據采集系統。該系統用3.3 V單電源功能，能夠處理來自壓電傳感器的電荷輸入信號，在±10°C溫度范圍內，其校準后總誤差小于0.25% FSR，是各種實驗室和工業測量的理想之選。

• 雙芯片壓電數據采集系統
• 12位、1 MSPS ADC
• 單電源

(analog)