衔接/参阅器材
AD8606/ 精细、低噪声、双通道CMOS、轨到轨输入/输出运算放大器
AD7091R/ 1 MSPS、超低功耗、12位ADC
ADuM5401/ 集成DC/DC转化器的四通道2.5 kV阻隔器
12位、300 kSPS、单电源、彻底阻隔式数据收集体系，用于±10 V输入
电路评价板
CN0335电路评价板(EVAL-CN0335-PMDZ)
SDP/PMD转接板(SDP-PMD-IB1Z)
体系演示渠道(EVAL-SDP-CB1Z)
电路功用与优势
图1所示电路是只选用了三个有源器材的彻底阻隔式12位、300 kSPS数据收集体系。
该体系选用3.3 V单电源供电，可处理±10 V输入信号。室温校准后，在±10°C温度改变规模内的总差错不超越±0.1% FSR，是各种工业丈量运用的抱负之选。
该电路的细巧尺度使得该组合成为业界抢先的数据收集体系解决方案，在这种体系中精度、速度、本钱和尺度极为要害。数据和电源彼此阻隔，因而该电路具有超卓的高电压耐受性，一起还能有用防止恶劣工业环境下常见的接地环路搅扰问题。
图1. ±10 V阻隔式单电源数据收集体系(未显现一切衔接和去耦)
电路描绘
该电路由一个输入信号调度级、一个ADC级和一个输出阻隔级构成。±10 V输入信号由U1A运算放大器进行电平转化和衰减，该运算放大器是双通道AD8606的一半。该运算放大器的输出为0.1 V至2.4 V，与ADC的输入规模相匹配(0 V至2.5 V)，裕量为100 mV用于保持线性度。来自ADC的缓冲基准电压(VREF =2.5 V)用于生成所需失调。能够修正电阻值，以习惯本电路笔记后边部分所述的其他常用输入规模。
该电路规划支撑单电源供电。AD8606的最小额定输出电压为50 mV(2.7 V电源)和290 mV(5 V电源)，负载电流为10 mA，温度规模为-40°C至+125°C。在3.3 V电源、负载电流低于1 mA、温度规模更窄的情况下，保存估量最小输出电压为45 mV至60 mV。
考虑到器材的容差，最小输出电压(规模下限)设为100 mV，以供给安全裕量。输出规模的上限设为2.4 V，以便为ADC输入端的正摆幅供给100 mV的裕量。因而，输入运算放大器的标称输出电压规模为0.1 V至2.4 V。
AD8606 (U1B)的另一半用于缓冲AD7091R (U3) ADC的内部2.5 V基准电压。
本运用中选用AD8606的原因是该器材具有低失调电压(最大值65 μV)、低偏置电流(最大值1 pA)和低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。在3.3V电源下，功耗仅为9.2 mW。
运算放大器的输出级后接一个单极点RC滤波器(R3/C9)，用于下降带外噪声。RC滤波器的截止频率设为664 kHz。可增加一个可选二阶滤波器(R4、C10和R1、R2、C11)，以便在呈现低频工业噪声的情况下，进一步下降滤波器截止频率。在这类情况下，由于信号带宽较小，因而能够下降AD7091R的采样速率。
挑选AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是由于其在3.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，仅为349 μA，明显低于当时市场上竞争对手的任何ADC。AD7091R还内置一个2.5 V的基准电压源，其典型漂移为±4.5 ppm/℃。输入带宽为7.5 MHz，且高速串行接口兼容SPI。AD7091R选用小型10引脚MSOP封装。
选用3.3V电源供电时，该电路的总功耗(不包括ADuM5401阻隔器)约为10.4 mW。
电流阻隔由四通道数字阻隔器ADuM5401(C级)供给。除了阻隔输出数据以外，ADuM5401还为该电路供给阻隔3.3 V电源。除非需求阻隔，不然电路正常运行时并不需求ADuM5401。ADuM5401四通道2.5 kV阻隔器集成DC/DC转化器，选用小型16引脚SO%&&&&&%封装。ADuM5401在7 MHz时钟频率下的功耗约为140 mW。
AD7091R需求50 MHz的串行时钟(SCLK)，方能完结1 MSPS的采样速率。但是，ADuM5401(C级)阻隔器的最大数据速率为25 Mbps，对应的最大串行时钟频率为12.5 MHz。别的，SPI端口要求，SCLK的后沿将输出数据驱动至处理器，因而，ADuM5401的总双向传达推迟(最大值120 ns)将时钟上限约束在1/120 ns = 8.3 MHz。
虽然AD7091R是一款12位ADC，但串行数据相同被格局化为16位字，以便与处理器串行端口要求相兼容。因而，采样周期TS包括AD7091R 650 ns的转化时刻加上58 ns(数据手册要求的额定时刻，t1推迟 + tQUIET推迟)，再加上用于SPI接口数据传输的16个时钟周期。
TS = 650 ns + 58 ns + 16 × 120 ns = 2628 ns
fS = 1/TS = 1/2628 ns = 380 kSPS
为了供给安全裕量，主张将SCLK和采样速率的最大值别离设为7 MHz和300 kSPS。数字SPI接口能够用12引脚且兼容Pmod的衔接器(Digilent Pmod规范)衔接到微处理器评价板。
电路规划
图2所示电路可将-10 V至+10 V输入信号衰减及电平转化为0.1 V至2.4 V的ADC输入规模。
图2. 输入电压信号调度电路
传递函数经过叠加原理求得。
(1)
其间：
(2)
且
(3)
增益、输出失谐和电阻值的核算
若输入电压规模为±10 V，则核算如下。
电路的增益为：
(4)
根据传递函数：
(5)
电路的输出失调为：
(6)
根据传递函数：
(7)
由等式4可知，关于k =1.23(该值可改变，详细取决于规范数值电阻R1和R2的值)，R4/R的比值可核算如下：
R4 = 9.696R (8)
由等式7可知，若VREF = 2.5V且k =1.23，则R5/R0的比值可核算如下：
R5 = 1.46R0 (9)
由等式2中的电阻R和R0，以及等式8和等式9中的比值可知，R4/R6比值可核算如下：
R4 = 5.346R6 (10)
由等式8、等式9和等式10可知，电阻R4、R5和R6可核算如下。例如，若挑选R6 = 10 kΩ，则R4 = 53.46 kΩ，R5 =12.3 kΩ。
在实践电路中，为电阻R4和R5挑选了最接近现有规范的电阻值。所选值为R4 = 52.3 kΩ，R5 = 12 kΩ。留意，R1 = R4，R2 = R5。
假如细心挑选这些值，因运用替代规范值电阻导致的总差错可降至几个百分点以下。但是，应经过等式1来从头核算U1A运算放大器在±10 V输入下的输出，以保证保持所需裕量。
这类电路的肯定精度首要取决于电阻，因而，需求进行增益和失调校准，以消除因替代规范值电阻和电阻容差导致的差错。
核算不同输入规模的电阻
关于±10 V以外的输入规模，可完结下列核算过程。
界说输入规模、输出规模和失调：
(11)
(12)
(13)
核算增益：
(14)
核算失调：
(15)
挑选参数k的数值：
(16)
经过下式挑选R4/R比值：
(17)
经过下式挑选R5/R0比值：
(18)
用等式2中界说的数值替换等式17和等式18中的R和R0，并求解两个等式，得出R4/R6比值。
挑选电阻R6的值。经过R4/R6比值算出R4。得到R4和R6数值，经过等式2和R4/R6比值核算R5。经过等式16核算R2和R1。可恰当挑选R1 = R4并核算R2。
电阻温度系数对总差错的影响
公式1标明，输出电压与以下五个电阻相关：R1、R2、R4、R5和R6。TP1处的满量程输出电压对这五个电阻中每个阻值的细小改变灵敏，其灵敏度经过仿真程序核算。电路的输入电压为+10 V。核算得到的各灵敏度为SR1 = 0.19、SR2 = 0.19、SR4 = 0.39、SR5 = 0.11、SR6 = 0.50。假定各温度系数以和方根(rss)方法组合，则选用100 ppm/°C电阻时，总满量程漂移约为：
满量程漂移 =
= 100 ppm/°C √(SR12 + SR22 + SR42 + SR52 + SR62)
= 100 ppm/°C √(0.192 + 0.192 + 0.392 + 0.112 + 0.502)
= 69 ppm/°C
69 ppm/°C的满量程漂移对应于0.0069% FSR/°C。运用25 ppm/°C电阻可将漂移差错下降至0.25 × 69 ppm/°C = 17 ppm/°C，或许0.0017% FSR/°C。
有源元件温度系数对总差错的影响
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输入导致的差错以2.3 V输出规模为基准，因而为2 ppm/°C。U1B基准电压缓冲器导致的差错以2.5 V为基准，相同约为2 ppm/°C。
总漂移差错结如表1所归纳。这些差错不包括AD7091R的±1 LSB积分非线性差错。
请留意，假如选用50 ppm/°C或100 ppm/°C电阻，则总漂移的最大来历是电阻漂移，有源元件发生的漂移可疏忽。
表 1. 温度漂移导致的差错
两点校准前后的测验数据
为了履行两点校准，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。增益系数经过下式核算：
现在，可经过下式核算与任何输出代码Code_x对应的输入电压：
经过比较运用元件标称值核算得到的抱负传递函数和未校准实践电路传递函数，能够得到校准前的差错。实测电路所用电阻的容差为±1%。测验成果不包括温度改变。
图3中所示为环境温度下校准前后的百分比差错(FSR)测验成果。如图所示，校准前的最大差错约为0.23% FSR。校准后，差错降至±0.03% FSR，大致相当于ADC的1 LSB差错。
图3. 室温校准前后的电路测验差错
PCB布局考虑
在任何重视精度的电路中，有必要细心考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽或许阻隔数字部分和模仿部分。该体系的PCB选用简略的双层板堆叠而成，但选用4层板能够得到更好的EMS功用。有关布局和接地的信息，请拜见MT-031攻略;有关去耦技能的信息，请拜见MT-101攻略。AD8606的电源应当用10 μF和0.1 μF电容去耦，以恰当按捺噪声并减小纹波。这些电容应尽或许接近相应器材，0.1 μF电容应具有低ESR值。关于一切高频去耦，主张运用陶瓷电容。电源走线应尽或许宽，以供给低阻抗途径，并减小电源线路上的毛刺效应。
ADuM5401 isoPower集成式DC/DC转化器要求在输入和输出电源引脚上进行电源旁路。请留意，引脚1与引脚2以及引脚15和引脚16之间需求低ESR旁路电容，这些电容应尽或许接近芯片焊盘。为了按捺噪声并下降纹波，至少需求并联两个电容。针对VDD1和VISO，引荐的电容值是0.1 μF和10 μF。较小的电容有必要具有低ESR，主张运用陶瓷电容。低ESR电容结尾到输入电源引脚的走线总长不得超越2 mm。假如旁路%&&&&&%的走线长度超越2 mm，或许会损坏数据。考虑在引脚1与引脚8及引脚9与引脚16之间完结旁路，除非两个公共地引脚接近封装连在一起。
高电压才能
这款PCB根据2500 V根本绝缘规范而规划。不主张进行2500 V以上的高电压测验。在高电压下运用该评价板时有必要慎重，并且不得依靠该PCB来完结安全功用，由于它未经过高电位测验(也称为高压测验或耐压绝缘测验)，也未经过安全认证。
常见改变
经验证，选用图中所示的元件值，该电路能够稳定地作业，并具有杰出的精度。可在该装备中选用其他精细运算放大器和其他ADC，以将±10V输入电压规模转化成数字输出，用于本电路的各种其他运用中。
可根据“电路规划”部分的等式，针对±10 V输入电压规模以外进行规划，如图1所示。表2显现针对某些规范电压规模核算电阻。
表2. 规范电压规模元件值
鄙人限为零且上限高于基准电压时，转化不需增益(k = 1)，并且可简化电路。图4显现输入规模为0 V至10 V的一个比如。
图4. 0 V至10 V阻隔式单电源模数转化(未显现一切衔接和去耦)
AD7091与AD7091R相似，但没有基准电压输出，并且输入规模等于电源电压。AD7091可与2.5 V ADR391基准电压源合作运用。ADR391不需求缓冲，因而可在电路中运用一个AD8605。
ADR391是一款精细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，选用微型TSOT封装。
AD8608是AD8605的四通道版别，在需求额定的精细运算放大器时，能够替代AD8606。
AD8601、AD8602和AD8604别离为单通道、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，能够替代AD8605、AD8606和AD8608。
AD7457是一款12位、100 kSPS、低功耗SAR ADC，在不需求300 kSPS吞吐速率的情况下，能够与ADR391基准电压源相合作，用于替代AD7091R。
电路评价与测验
本电路选用EVAL-CN0335-PMDZ电路板、SDP-PMD-IB1Z和EVAL-SDP-CB1Z体系演示渠道(SDP)评价板。转接板SDP-PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z选用120引脚对接衔接器。转接板和EVAL-CN0335-PMDZ板选用12引脚Pmod对接衔接器，可快速进行设置和评价电路功用。EVAL-CN0335-PMDZ板包括要评价的电路(如本笔记所述)，SDP评价板与CN0335评价软件合作运用，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电路评价板
· EVAL-SDP-CB1Z SDP评价板
· SDP-PMD-IB1Z转接板
· CN0335评价软件
· 精细电压源
开始运用
将CN0335评价软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评价软件。也能够从CN0335评价软件中下载最新版的评价软件。翻开“我的电脑”，找到包括评价软件光盘的驱动器，翻开setup.exe。依照屏幕上的提示完结装置。主张将一切软件装置在默许方位。
功用框图
图5所示为测验设置的功用框图。
设置
1. 经过直流管式插孔将EVAL-CFTL-6V-PWRZ(+6 V直流电源)衔接到SDP-PMD-IB1Z转接板。
2. 经过120引脚ConA衔接器将SDP-PMD-IB1Z(转接板)衔接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。
3. 经过USB电缆将EVAL-SDP-CB1Z(SDP板)衔接到PC。
4. 经过12引脚接头Pmod衔接器将EVAL-CN0335-PMDZ评价板衔接到SDP-PMD-IB1Z转接板。
5. 经过端子板J2将电压源(电压生成器)衔接到EVAL-CN0335-PMDZ评价板。
测验
发动评价软件。假如“设备管理器”中呈现“Analog Devices System Development Platform(ADI体系开发渠道)”驱动器，软件便能与SDP板通讯。一旦USB通讯树立，就能够运用SDP板来发送、接纳、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。有关怎么运用评价软件来捕捉数据的详细信息，请参阅CN0335软件用户攻略。
EVAL-CN0335-PMDZ板相片如图6所示。
图5. 测验设置功用框图
图 6. EVAL-CN0335-PMDZ板的相片
