《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計(jì) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 低成本、8通道、同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
低成本、8通道、同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要: 電路功能與優(yōu)勢對于要求寬動(dòng)態(tài)范圍的低成本、高通道數(shù)應(yīng)用,片內(nèi)集成14位SARADC的8通道集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)AD7607可以用來有效實(shí)現(xiàn)超過80dB的動(dòng)態(tài)范圍。DAS的典型應(yīng)用是電力線測量和保護(hù)設(shè)備,其
Abstract:
Key words :

     電路功能與優(yōu)勢

  對于要求寬動(dòng)態(tài)范圍的低成本、高通道數(shù)應(yīng)用,片內(nèi)集成14位SAR ADC的8通道集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS) AD7607 可以用來有效實(shí)現(xiàn)超過80 dB的動(dòng)態(tài)范圍。

  DAS的典型應(yīng)用是電力線測量和保護(hù)設(shè)備,其中必須對多相輸配電網(wǎng)絡(luò)的大量電流和電壓通道進(jìn)行同時(shí)采樣。

  許多低壓電力線測量和保護(hù)系統(tǒng)不需要全部的16位ADC分辨率(例如AD7606 DAS所提供的分辨率),但仍然需要80 dB以上的動(dòng)態(tài)范圍,以便捕捉欠壓/欠流和過壓/過流條件。此外還需要同步采樣能力,以便保持多相電力線的電流和電壓通道之間的相位信息。

  AD7607是集成14位、雙極性輸入、同步采樣SAR ADC的8通道DAS,具有84 dB的信噪比(SNR),可滿足這類低壓保護(hù)和測量系統(tǒng)的要求。圖1所示電路還使用一個(gè)外部精密、低溫漂、低噪聲基準(zhǔn)電壓源ADR421 ,支持要求絕對精度性能的高通道數(shù)應(yīng)用。

低成本、8通道、同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖1. 低成本、8通道、同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(簡化的電氣原理圖:未顯示去耦和所有連接)

  電路描述

  AD7607是一款集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),片內(nèi)集成輸入放大器、過壓保護(hù)電路、模擬抗混疊濾波器、14位SAR ADC和數(shù)字濾波器。本電路由AD7607和2.5 V基準(zhǔn)電壓源ADR421共同構(gòu)成。為實(shí)現(xiàn)良好的通道間匹配,圍繞模擬輸入通道和器件去耦的對稱布局非常重要。

  下文概括了為實(shí)現(xiàn)出色的通道間匹配和84 dB SNR性能,AD7607和ADR421宜采用何種推薦的布局。

  AD7607*估板布局

  為確保良好的通道間匹配,模擬輸入通道對稱布局非常重要。在內(nèi)置多個(gè)AD7607器件的系統(tǒng)中,為確保器件之間的性能匹配良好,這些器件必須采用對稱布局。

  圖2所示為AD7607和ADR421的最佳電路板布局。AVCC電壓平面沿AD7607的右側(cè)布設(shè),VDRIVE電源走線沿AD7607的左側(cè)布設(shè)?;鶞?zhǔn)電壓源ADR421位于AD7607的南面。這里使用了實(shí)心接地層顯示AD7607 DAS和ADR421基準(zhǔn)電壓源的PCB布局布線

圖2. 顯示AD7607 DAS和ADR421基準(zhǔn)電壓源的PCB布局布線

  這些對稱布局原則同樣適用于含有多個(gè)AD7607器件的系統(tǒng)。AD7607器件應(yīng)沿南北方向放置,基準(zhǔn)電壓位于這些器件的中間,基準(zhǔn)電壓走線則沿南北方向布設(shè),類似于圖2。關(guān)于使用多個(gè)AD7606(16位8通道DAS)的系統(tǒng)詳細(xì)信息,請參見電路筆記 CN-0148.

  良好的去耦也很重要,以便降低AD7607的電源阻抗,并減少電源尖峰幅度。去耦電容應(yīng)盡可能放置在靠近DUT電源引腳及其對應(yīng)的接地引腳。REFIN/REFOUT引腳和REFCAPA、REFCAPB引腳的去耦電容同樣是攸關(guān)性能的重要去耦電容,應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)的AD7607引引腳??赡艿脑?,應(yīng)將這些電容放在電路板上與AD7607器件相同的一側(cè)。圖3顯示了AD7607電路板頂層的建議去耦布局。

頂層去耦

圖3. 頂層去耦

  電路板頂層上的四個(gè)陶瓷電容是REFIN/REFOUT引腳、REFCAPA引腳和REFCAPB引腳的去耦電容。這些電容沿南北方向放置,以便盡可能靠近相應(yīng)的引腳。圖4顯示了底層去耦布局,它用于4個(gè)AVCC 引腳和VDRIVE 引腳的去耦。這里使用了多個(gè)過孔將引腳與其相應(yīng)的去耦電容相連。AD7607器件周圍去耦電容的對稱布局有利于器件間的性能匹配。多個(gè)過孔用來將電容焊盤和引腳焊盤接地及接到電壓平面和基準(zhǔn)電壓走線。

 

底層去耦

圖4. 底層去耦

 

 通道間匹配

  在高通道數(shù)系統(tǒng)中,良好的通道間和器件間性能匹配可以大大簡化校準(zhǔn)程序。AD7607器件、模擬輸入通道和去耦電容的對稱布局有助于多個(gè)器件之間的性能匹配。使用公共系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓能進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的匹配性能。圖5顯示所有輸入接地時(shí)電路板上8個(gè)通道的實(shí)測匹配性能。這里展示了最多三個(gè)碼的分布直方圖,各通道直方圖的中心為碼1。

輸入接地時(shí)8個(gè)通道的直方圖

圖5. 輸入接地時(shí)8個(gè)通道的直方圖

  交流性能

  本電路中,AD7607配置為在外部基準(zhǔn)電壓源模式下工作。ADR421為AD7607的REFIN/REFOUT引腳提供2.5 V基準(zhǔn)電壓。對AD7607的通道1施加一個(gè)1 kHz信號(hào)。AD7607的輸入范圍配置為±5 V。在所有8個(gè)通道上以200 kSPS采樣時(shí),AD7607的SNR達(dá)到84.12 dB。這一性能相當(dāng)于大約13.7位的有效位數(shù)(ENOB),其中ENOB = (SNR ? 1.76 dB)/6.02。

FFT顯示SNR為84.12 dB

圖6. FFT顯示SNR為84.12 dB(輸入 = 1 kHz,fs = 200 kSPS)

  為進(jìn)一步提高SNR性能和系統(tǒng)的ENOB,可以將AD7607配置為以8倍過采樣模式工作。這種模式下,SNR提高到85.25 dB,因而有效位數(shù)提高到13.9位。當(dāng)AD7607在8倍過采樣模式下使用時(shí),各通道的吞吐速率降至25 kSPS。

FFT顯示SNR為85.26 dB

圖7. FFT顯示SNR為85.26 dB(8倍過采樣,fs = 25 kSPS)

  上述建議布局能夠確保一個(gè)AD7607實(shí)現(xiàn)良好的通道間匹配性能,并且同一PCB板上的多個(gè)AD7607之間也具有良好的器件間匹配性能。AD7607和ADR421能夠?qū)崿F(xiàn)84 dB的SNR,滿足變電站自動(dòng)化設(shè)備中的低壓保護(hù)和測量應(yīng)用的80 dB以上動(dòng)態(tài)范圍需求。

  常見變化

  AD7607是一款8通道、14位DAS。ADI還提供 AD7606-6 (6通道16位DAS)和 AD760*(4通道16位DAS)。AD7608是一款8通道、18位DAS。相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓源可以利用基準(zhǔn)電壓源選型和*估工具進(jìn)行選擇。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。