用于工業信號電平的精密24位、250 kSPS單電源Σ-Δ型ADC系統

連接/參考器件

AD7176-2 24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC，建立時間20 μs

AD8475 精密、可選增益、全差分漏斗放大器

ADR445 5 V超低噪聲LDO XFET基準電壓源

評估和設計支持

電路評估板

AD7176-2電路評估板(EVAL-AD7176-2SDZ)

系統演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優勢

對工業電平信號進行采樣時，必須提供快速高分辨率轉換信息。通常，當采樣速率達到500 kSPS時，模數轉換器(ADC)具有的最高分辨率為14位至18位。圖1所示電路是一款單電源系統，針對工業電平信號采樣進行優化，集成一個24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC。兩個差分通道或四個偽差分通道中的每一個都能夠以17.2位無噪聲代碼分辨率、最高50 kSPS的速率對其進行掃描。

本電路利用創新型差分放大器和內置激光調整電阻執行衰減和電平轉換，通過具有低電源電壓的精密ADC可以解決獲取±5 V、±10 V和0 V至10 V的標準工業電平信號并進行數字化處理的問題。本電路的應用包括過程控制（PLC/DCS模塊）、醫療以及科學多通道儀器和色譜儀。

圖1. 工業信號用高精度、24位ADC驅動器（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

電路描述

工業電平信號施加于AD8475精密差分漏斗放大器上，該器件可將輸入信號衰減0.8倍或0.4倍。它集成經過調整并匹配的精密電阻，用來控制衰減。當AD8475使用5 V單電源并且增益設置為0.4時，此電阻支持最高±12.5 V的單端或差分輸入。器件提供最高±15 V的輸入過壓保護。

當輸入信號（增益為0.4）處于±10 V單端或差分輸入范圍內時，AD8475和AD7176-2器件組合能夠保持線性度，如圖4中的測量INL限值所示；圖中，測量端點分別為?10 V和+10 V。此時，AD8475的輸出擺幅介于0.5 V和4.5 V之間。

通過對VOCM引腳施加所需的共模電壓，便可設置共模輸出。圖1所示電路中，通過將AD7176-2 ADC的2.5 V REFOUT電壓施加于AD8475的VOCM引腳，完成共模電壓的設置。

AD8475提供衰減和電平轉換，以便驅動AD7176-2的采樣電容輸入；功耗僅為3.2 mA。

AD8475放大器的輸出連接到RC濾波器網絡，可提供差分和共模噪聲濾波以及AD7176-2輸入采樣電容所需的動態充電。該網絡還可隔離放大器輸出，使其不受動態開關電容輸入的反沖影響。共模帶寬（RIN、C1）為59 MHz。差模帶寬（2 × RIN、0.5C1 + C3）為9.8 MHz

還可設置AD8475，使其接受單端信號。將-IN 0.4×輸入接地，并對+IN 0.4×輸入施加單端信號。

AD7176-2 24位、Σ-Δ ADC對AD8475的輸出進行采樣，并轉換為數字輸出。轉換速率和數字濾波器特性可針對5 SPS至250 kSPS的輸出數據速率進行調節。

AD7176-2可配置為兩個全差分輸入或四個偽差分輸入。ADC支持最高50 kSPS的通道掃描速率。AD7176-2的無噪聲位性能為17.2位(250 kSPS)；20.8位(1 kSPS)；以及21.7位(50 SPS)。

圖2表示輸入接地時的總系統有效均方根噪聲。數據速率為250 kSPS時，有效均方根噪聲約為30 μV rms。請注意，滿量程時，本電路的線性度在±10 V輸入下達到最佳狀態，計算時滿量程輸入設為20 V p-p。

圖2. 均方根輸出噪聲與輸出數據速率的關系

有效分辨率以位數表示，折合到20 V滿量程輸入范圍的計算公式為：

有效分辨率 = log2(FSR/均方根噪聲)

有效分辨率 = log2(20 V/30 μV) = 19.3位

圖3. 有效分辨率（均方根位數）與輸出數據速率的關系

先將均方根噪聲轉換為峰峰值噪聲近似值（均方根噪聲乘以系數6.6），有效分辨率便可轉換為無噪聲代碼分辨率。計算結果約為2.7位，隨后將其從有效分辨率中扣除，以得到無噪聲代碼分辨率。如本例所示，經計算后，19.3位有效分辨率相當于16.6位無噪聲代碼分辨率。這一結果與AD7176-2在無緩沖短路輸入情況下，輸出數據速率為250 kSPS時的17.2位無噪聲位規格相比，大約有0.3位的差異。這是由于本例僅采用±10 V作為滿量程范圍，而非±12.5 V的最大值。

圖4顯示采用端點法獲得的系統積分非線性，用滿量程(FSR)的ppm表示。

圖4. 積分非線性（INL，以FSR的ppm表示）與輸入電壓的關系