摘要

    AMC1204 是一款二階隔離Delta-Sigma 調(diào)制器，由于其出色的直流特性、交流特性及隔離特性，廣泛應(yīng)用在通信電源系統(tǒng)、逆變器、整流器、UPS 及電機(jī)控制中，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源電壓及電流的檢測和監(jiān)控。本文簡單介紹了AMC1204 的工作原理，重點(diǎn)討論輸入采樣電阻阻抗對AMC1204 轉(zhuǎn)換精度的影響以及調(diào)制器輸出濾波器的設(shè)計(jì)。

1          AMC1204 簡介

    AMC1204 是一款二階隔離Delta-Sigma 調(diào)制器。如圖1 所示，它使用TI 特有的電容隔離技術(shù)，滿足UL1577，IEC60747-5-2 及CSA 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，隔離工作電壓可達(dá)1200Vpeak，瞬間隔離電壓達(dá)4000Vpeak，共模瞬態(tài)抑制在15KV/us 以上。電容隔離器件具有同電感隔離器件相比更高的磁場抗擾性及可靠性，同光耦隔離器件相比更低的功耗等這些顯著的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)AMC1204 內(nèi)部集成了高精度的Delta-Sigma 調(diào)制器，電路設(shè)計(jì)簡單，被廣泛應(yīng)用于通信電源系統(tǒng)、逆變器、整流器、UPS 及電機(jī)控制等場景。

圖1 AMC1204 內(nèi)部示意框圖

AMC1204 具有出色的直流特性，DNL 誤差小于1LSB，INL 誤差最大為8LSB(-40℃至85℃)，失調(diào)誤差1mV，增益誤差小于2%。如果將失調(diào)和增益誤差校正后，不考慮電源及溫度的影響，由ADC 引入的誤差僅為0.012%。此外，AMC1204 也表現(xiàn)出了不錯(cuò)的交流特性，SNR 可達(dá)88dB，THD 可達(dá)-96dB，有效位數(shù)ENOB 可達(dá)14bit(OSR=256， 濾波器)。因此，AMC1204 可以滿足絕大多數(shù)高精度系統(tǒng)的使用要求。圖2 是在通信系統(tǒng)電源中的一個(gè)檢測電壓和電流的典型應(yīng)用電路，該電路使用兩片AMC1204 實(shí)現(xiàn)對48V 電源的電壓監(jiān)測及負(fù)載電流檢測，輸出數(shù)字信號給后端進(jìn)行處理，不需要額外使用隔離器件，應(yīng)用電路設(shè)計(jì)更簡單、更可靠。

圖2 48V 通信電源電壓/電流檢測電路

2          外圍電路設(shè)計(jì)對轉(zhuǎn)換精度的影響分析

在電路設(shè)計(jì)中，影響AMC1204 轉(zhuǎn)換精度主要是外圍電路的電阻取值，尤其在通過電阻分壓電路測試電壓值的應(yīng)用場景中。下面分析輸入采樣電阻對AMC1204 轉(zhuǎn)換精度的影響。

2.1    輸入等效電路及分析

AMC1204 的輸入等效電路如圖3 所示，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，完成一次采樣/放電，輸入等效電阻 。當(dāng)AMC1204 的輸入時(shí)鐘頻率為5MHz 時(shí)，等效阻抗約為50KΩ；當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率為20MHz 時(shí)，等效阻抗約為12.5KΩ。如果待測信號的阻抗較大，則輸入等效阻抗的影響不能忽略，因?yàn)檫@將可能嚴(yán)重影響到ADC 轉(zhuǎn)換的精度。因此，實(shí)際使用時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，選擇滿足測量精度的采樣電阻值。

圖3 AMC1204 輸入等效電路

以圖4 所示電路為例，如果不考慮器件輸入等效電阻的影響，輸入差分電壓理論值為

圖4 AMC1204 測試電路

2.2    電路設(shè)計(jì)例子

使用圖4 所示電路測量不同輸入采樣電阻和時(shí)鐘頻率情況下AMC1204 轉(zhuǎn)換

注：實(shí)驗(yàn)所選電阻精度為1%，實(shí)際測量值由Agilent U1251A 型號萬用表測得，AMC1204 的失調(diào)誤差和增益誤差未校正(以上測試結(jié)果供參考)。

表1 不同輸入采樣電阻和時(shí)鐘頻率下的轉(zhuǎn)換結(jié)果

2.3    小結(jié)

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)測的輸入電壓值V₂與考慮到輸入阻抗計(jì)算得到的理論值V₂'基本一致，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與理論分析基本吻合。輸入時(shí)鐘頻率直接決定了AMC1204 的輸入阻抗，輸入采樣電阻值相對于AMC1204 的輸入阻抗越低，輸入采樣電阻的影響就會越小。因此，在一些測量電壓的應(yīng)用場景下，如果采樣電阻值無法減小，可以使AMC1204 工作在較低的時(shí)鐘頻率以提高輸入阻抗，獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。當(dāng)然，降低輸入時(shí)鐘頻率是以犧牲轉(zhuǎn)換速率為代價(jià)的。此外，如果無法通過降低輸入時(shí)鐘頻率和輸入采樣電阻的方式提高精度，還可以通過軟件方法對AMC1204 的失調(diào)誤差和增益誤差進(jìn)行校正，即對表1 中的誤差指標(biāo)進(jìn)行額外補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)精度，獲得最佳的系統(tǒng)性能。

3          調(diào)制器輸出濾波的設(shè)計(jì)

AMC1204 輸出1 比特位寬由0 和1 組成的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流中1 的密度與模擬輸入電壓成正比。當(dāng)輸入電壓為250mV 時(shí)，輸出1 的比例為89.0625%；當(dāng)輸入電壓為-250mV 時(shí)，輸出1 的比例為10.9375%；當(dāng)輸入電壓為0mV 時(shí)，輸出1 的比例為50%。當(dāng)輸入電壓從-250mV 到+250mV 之間，AMC1204 的轉(zhuǎn)換性能可以得到保障。為了得到真實(shí)的輸出數(shù)據(jù)信息，一般需要在輸出后端進(jìn)行數(shù)字濾波處理，實(shí)際應(yīng)用中可以采用以下兩種濾波器對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.1     移動(dòng)平均濾波器

移動(dòng)平均濾波器比較簡單，它是取輸入信號的最近的一些值，進(jìn)行算術(shù)平均，相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，濾除高頻分量，保留低頻分量。在時(shí)鐘clk 的上升沿，對AMC1204 輸出的高脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算M 個(gè)clk 的上升沿時(shí)，對應(yīng)的高電平脈沖個(gè)數(shù)N。則，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果為(640×N/M-320)mV。平均的項(xiàng)數(shù)越多，即M 越大，則得到變化越緩慢的輸出信號，但得到的精度也越高。

圖5 AMC1204 輸出數(shù)據(jù)波形

需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，這種方法必須平均盡可能多的輸入信號才能獲得比較高的精度。移動(dòng)平均濾波器實(shí)現(xiàn)比較簡單，不需要單獨(dú)增加DSP 或FPGA 即可實(shí)現(xiàn)。但是，移動(dòng)平均濾波器的頻域效果較差，滾降較慢，因此，在檢測低頻信號及對精度要求不高的應(yīng)用中，可以考慮使用這種方法。但是，對于精度要求比較高的應(yīng)用中，需要考慮使用性能更好的濾波器，如Sinc 濾波器。

3.2    Sinc 濾波器

Sinc濾波器具有良好的頻域特性，較低的成本和功耗，延時(shí)較低，因此，廣泛用作Delta-Sigma DAC 的濾波器。Sinc 濾波器可通過專門的濾波器芯片或者通過FPGA 或DSP 算法來實(shí)現(xiàn)。

AMC1210 是一個(gè)4 通道的數(shù)字濾波器，芯片輸出接口可設(shè)置為SPI 接口或者并行接口方式，方便與CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)字濾波器可設(shè)置為Sincfast，Sinc¹，Sinc²  或者Sinc³方式。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于Sinc³濾波器具有更好的低通特性，建議將AMC1210 配置為Sinc³ 濾波器，過采樣率(OSR)設(shè)為256以獲得最優(yōu)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖6 AMC1204 與AMC1210 的連接

此外，也可以通過FPGA 或DSP 來實(shí)現(xiàn)Sinc 濾波器算法。濾波器的基本架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 調(diào)制器與抽取濾波器的基本架構(gòu)

以下是用VHDL 語言實(shí)現(xiàn)SINC3 濾波器的一段示例程序。其中，CNR=MCLK/M，M 為抽取率(即過采樣率OSR)。

圖8 Sinc³ 數(shù)字濾波器架構(gòu)

圖8 的示例代碼：

library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;

use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity FLT is

port(RESN, MOUT, MCLK, CNR : in std_logic;

CN5 : out std_logic_vector(23 downto 0));

end FLT;

architecture RTL of FLT is

signal Z1 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z2 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z3 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z4 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z5 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z6 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z7 : std_logic_vector(23 downto 0);

begin

process(MCLK, RESN)

begin

if RESN = '0' then

Z1 <= (others => '0');

Z2 <= (others => '0');

Z3 <= (others => '0');

elsif MCLK'event and MCLK = '1' then

Z1 <= Z1 + MOUT;

Z2 <= Z2 + Z1;

Z3 <= Z3 + Z2;

end if;

end process;

process(CNR, RESN)

begin

if RESN = '0' then

Z4 <= (others => '0');

Z5 <= (others => '0');

Z6 <= (others => '0');

Z7 <= (others => '0');

elsif CNR'event and CNR = '1' then

Z4 <= Z3;

Z5 <= Z3 - Z4;

Z6 <= Z3 - Z4 - Z5;

Z7 <= Z3 - Z4 - Z5 - Z6;

end if;

end process;

CN5 <= Z7;

end RTL;

4          結(jié)論

應(yīng)用高性能隔離Delta-Sigma調(diào)制器AMC1204時(shí)，為了確保轉(zhuǎn)換精度，需要注意外圍輸入電路的設(shè)計(jì)，選擇合適的輸入采樣電阻以及時(shí)鐘頻率，使得輸入采樣電阻阻值相對于輸入等效阻抗盡量小，以此降低輸入電阻引起的轉(zhuǎn)換誤差；同時(shí)選擇合適的輸出濾波器，以滿足整個(gè)系統(tǒng)對測量精度的要求。

5          參考文獻(xiàn)

[1] AMC1204 datasheet

[2] AMC1210 datasheet