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使用AD7768/AD7768-4實(shí)現(xiàn)模塊化數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 封裝

星星科技指導(dǎo)員 ? 來(lái)源:ADI ? 作者:ADI ? 2023-06-16 15:50 ? 次閱讀

模擬輸入/輸出模塊設(shè)計(jì)的共同趨勢(shì)是以更小的尺寸因數(shù)實(shí)現(xiàn)更大的通道數(shù)。該趨勢(shì)由通過(guò)增加儀器儀表 (PXI) 卡槽的單個(gè)模塊或PCI擴(kuò)展可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量值數(shù)以減少成本和測(cè)試時(shí)間的需求所驅(qū)動(dòng)。通道密度的增加導(dǎo)致更多的熱消耗,這是模塊化應(yīng)用中設(shè)計(jì)師面臨的共同問(wèn)題。要使設(shè)計(jì)滿(mǎn)足高密度數(shù)據(jù)采集模塊的熱預(yù)算要求,客戶(hù)必須考慮速度、帶寬和性能的權(quán)衡。

AD7768/AD7768-4 為8通道和4通道24位同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。通過(guò)可選的功耗模式和數(shù)字濾波器選項(xiàng)可重新配置AD7768/AD7768-4以適應(yīng)多種應(yīng)用,如工業(yè)輸入/輸出模塊、儀器儀表、音頻測(cè)試、控制回路和狀態(tài)監(jiān)控。

必須使用外部驅(qū)動(dòng)放大器驅(qū)動(dòng)到AD7768/AD7768-4的輸入。模擬前端的驅(qū)動(dòng)要求隨著前端采樣速率的不同而變化。AD7768/AD7768-4上的可選預(yù)充電緩沖區(qū)可減少前端驅(qū)動(dòng)放大器上的負(fù)擔(dān),使低功耗放大器驅(qū)動(dòng)具有高采樣速率的模擬輸入。

本應(yīng)用筆記概述了如何在子系統(tǒng)功率水平低至每通道19.5 mW的情況下實(shí)現(xiàn)?126.6 dB的總諧波失真 (THD)。該應(yīng)用筆記還比較了在有無(wú)預(yù)充電緩沖區(qū)幫助時(shí)的高性能驅(qū)動(dòng)放大器和低功耗放大器的組合。為了公平有效地進(jìn)行比較,基于在特定功耗模式下驅(qū)動(dòng)AD7768/AD7768-4的適用性來(lái)選擇這些放大器。例如,選擇用于在快速功耗模式下驅(qū)動(dòng)AD7768/AD7768-4的高帶寬放大器在中速或低速功耗模式下可以同樣良好地工作,但可能比正常情況消耗更多的功率,具體取決于使用的系統(tǒng)。本應(yīng)用筆記中評(píng)估的驅(qū)動(dòng)放大器和功耗模式的適當(dāng)組合可使設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出在特定的熱或功率約束帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高性能的單個(gè)DAQ平臺(tái)。此外,本文還論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)師遇到的一些權(quán)衡。

電路描述

AD7768/AD7768-4的放大器測(cè)試使用 EVALAD7768FMCZ評(píng)估平臺(tái)、 EVAL-AD7768-4FMCZ,評(píng)估平臺(tái)和多個(gè)放大器夾層卡 (AMC) 執(zhí)行。"放大器配置"部分列出了位于各AMC上的放大器。EVAL-AD7768FMCZ 和EVAL-AD7768-4FMCZ評(píng)估平臺(tái)原理圖(分別在www.analog.com/eval-ad7768和www.analog.com/eval-ad7768-4提供)可配置為使用AMC(僅在一個(gè)通道上)作為驅(qū)動(dòng)放大器輸入。多詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)EVAL-AD7768FMCZ和EVAL-AD7768-4FMCZ。可用的AMC上裝有多個(gè)放大器,專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)與ADI公司的ADC一起使用。EVALSDP-H1連接至EVAL-AD7768FMCZ和EVAL-AD7768-4FMCZ 評(píng)估平臺(tái)以與評(píng)估軟件(隨評(píng)估硬件一起提供)連接。使用精密音頻源進(jìn)行交流分析。

確定使用以下選擇用于測(cè)試的放大器來(lái)補(bǔ)充AD7768/AD7768-4上的各個(gè)不同功耗模式:

在低速功耗模式下: ADA4805-2、ADA4841-2、 ADA4945-1 和 ADA4940-1。

在中速模式下: ADA4805-2、ADA4807-2、ADA4940-1 和 ADA4945-1。

在快速功耗模式下: ADA4807-2、ADA4896-2、ADA4899-1、 ADA4940-1 和 ADA4945-1。

表1所示為所選放大器的性能和功率規(guī)格,其中一些放大器可采用不同的封裝尺寸和選項(xiàng)。

放大器 特性 帶寬(BW)(MHz) 壓擺(V/μs) 電壓噪聲密度(nV/√Hz) 電流噪聲密度(pA/√Hz) 失調(diào)電壓(μV最大值) 失調(diào)漂移(μV/C) 電源電壓(V) 各放大器的功率 (mA)
ADA4899-1
單位增益,超低失真 600 310 1 2.6 230 5(典型值) 5 至 12 16
ADA4896-2 低漂移,軌到軌輸出 (RRO) 230 120 1 2.8 500 0.2(典型值) ±3 至 ±5 3.0
ADA4807-2 軌到軌輸入/輸出 (RRIO),低漂移 180 225 3.1
0.7 125 0.7(典型值) ±3 至 ±5 1.0
ADA4805-2 RRO,低漂移 105 160 5.9 0.6 125 0.2(最大值) ±3 至 ±5 0.625
ADA4940-1 RRO,差分放大器 260 95 3.9 0.81 3.50 1.2(典型值) 3 至 7 1.25 total2
ADA4841-2 RRIO低噪聲和失真 80 13 2.1 1.4 300 1(典型值) 2.7 至 12 1.2
ADA4084-2 RRIO,零輸入交叉失真 13.9 3.7 3.9 0.55 300 0.5(最大值) ±1.5 至 ±15 0.625
ADA4945-1 RRO,selectable modes 803 , 1454 1003 , 6004 3.03 , 1.84 0.63 , 1.04 ±115 0.5 3 至 10 1.43 total2 , 44 total 2

單個(gè)通道的總功率。

選擇功耗模式

AD7768/AD7768-4具有三種可選的功耗模式:低速、中速和快速。這些功耗模式可為AD7768/AD7768-4選擇工作點(diǎn),以便在維持相同動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)可以選擇最優(yōu)的帶寬和功耗。

所選功耗模式可與主時(shí)鐘分頻器 (MCLK_DIV) 一起使用以正確設(shè)置該工作點(diǎn)。MCLK_DIV將決定調(diào)制器運(yùn)行的頻率,然后可抽取調(diào)制器輸出以給出最終輸出數(shù)據(jù)速率 (ODR)。推薦的調(diào)制器頻率 (fMOD) 范圍如表2所示。

表3所示為各功耗模式的功耗,施加了32.768 MHz的主時(shí)鐘,模擬輸入預(yù)充電緩沖區(qū)開(kāi)啟,采用額定電源,使用寬帶濾波器,抽取率為32。從表3可以看出,功耗隨著速度和帶寬的不同而變化。

模擬輸入結(jié)構(gòu)

圖2所示為AD7768/AD7768-4的模擬輸入結(jié)構(gòu)。可以基于各通道使能模擬輸入預(yù)充電緩沖區(qū)。使能后,模擬輸入預(yù)充電緩沖區(qū)將在初始采樣周期為采樣電容充電,其提供穩(wěn)定采樣電容所需的大部分電流。剩余的充電由外部放大器驅(qū)動(dòng),該充電將實(shí)現(xiàn)采樣電容的最終精細(xì)穩(wěn)定,從而實(shí)現(xiàn)精確的結(jié)果。

在最快的采樣速率下,對(duì)于5 V輸入,預(yù)充電緩沖區(qū)可將來(lái)自放大器的輸入電流從320 μA減少至約25 μA。有關(guān)AD7768/AD7768-4模擬輸入結(jié)構(gòu)的更多信息,請(qǐng)參見(jiàn)AD7768/AD7768-4數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖3所示為ADA4807-2 AMC連接至AD7768/AD7768-4評(píng)估板。

測(cè)試方法

AD7768/AD7768-4具有用于該放大器測(cè)試的寬帶數(shù)字濾波器。寬帶濾波器具有截止頻率為0.433 × ODR的磚墻式濾波器響應(yīng)。±0.005 dB的出色通帶波動(dòng)可實(shí)現(xiàn)出色的頻域測(cè)量,從而確定驅(qū)動(dòng)放大器性能和輸入頻率的關(guān)系。Sinc5數(shù)字濾波器具有0.2 × ODR的帶寬和3 dB的動(dòng)態(tài)范圍改善,但在這些比較測(cè)試中不進(jìn)行考慮。

放大器輸出和ADC輸入之間具有電阻/電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)。圖4所示為用于AD7768/AD7768-4的大多數(shù)放大器配對(duì)的典型RC網(wǎng)絡(luò)。RC網(wǎng)絡(luò)可執(zhí)行多種任務(wù)。C1和C2是ADC的電荷存儲(chǔ)器,為ADC提供到采樣電容的快速充電電流。

電容C3可消除AINx+和AINx?輸入之間的共模誤差。這些電容與RIN一起組成了低通濾波器,濾除與輸入開(kāi)關(guān)相關(guān)的毛刺。輸入電阻還可在驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載時(shí)穩(wěn)定放大器,防止放大器振蕩。

圖4. RC網(wǎng)絡(luò)典型輸入結(jié)構(gòu)

功耗模式 MCLK_DIV典型值 推薦的fMOD (MHz)
AD7768/AD7768-4 AD7768-1
低速 MCLK/32 MCLK/16 0.0361 至 1.024
中速 MCLK/8 MCLK/4 1.024 至 4.096
快速 MCLK/4 MCLK/2 4.096 至 8.192
功耗模式 最大速度 (kSPS) FIR2 Sinc Filter
寬帶BW (kHz) 寬帶功率(mW/通道) Sinc BW (kHz) Sinc功率(mW/通道)
AD7768/AD7768-4 AD7768-1 AD7768/AD7768-4 AD7768-1
快速 256 110.8 51.5 36.8 52.2 41 26.4
中速 128 55.4 27.5 19.7 26.1 22 14.4
低速 32 13.8 9.375 6.75 6.5 8.5 5.4

審核編輯:郭婷

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