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高阻抗高CMR、±10V模拟前端信号调理电路图讲解_电工基础电路图

作者:杏彩官方注册网址 发布时间:2019/5/15 来源:网络整理 浏览量:25 相关关键词: 高阻抗高CMR、±10V模拟前端信号调理电路图讲解_电工基础电路图

电路功能与优势

  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杏彩官方注册网址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。

  电路图讲解

  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)
电路图讲解

  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。

杏彩官方注册网址  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。

杏彩官方注册网址  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 &TImes; 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。

  电路描述

  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)

杏彩官方注册网址  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)

杏彩官方注册网址  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 &TImes; VCOM

  VOUTP = VOUTN + 0.2 &TImes; VIN

  VOUTP = VCOM + 0.1 &TImes; 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

杏彩官方注册网址  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

  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:

杏彩官方注册网址  SNR = 85.531 dBFS (不含谐波)

杏彩官方注册网址  信纳比(SINAD) = 81.432 dBFS.

  SFDR = 77.403 dBFS.

杏彩官方注册网址  THD = –76.479 dBFS

  图3. 10 V DC输入时的直方图,15,000个样本

  图3. 10 V DC输入时的直方图,15,000个样本

 

技术方案

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