完整的5V单电源8通道多路复用数据采集系统

作者：时间：2013-08-03来源：网络收藏

PGIA

连接/参考器件

ADAS3022 16位、1 MSPS、8通道数据采集系统

ADP1613 650 kHz/1.3 MHz升压PWM DC-DC开关转换器

AD8031/ AD8032 2.7 V、每放大器800 μA、80 MHz、单路/双路、轨到轨I/O放大器

ADR434 超低噪声XFET基准电压源，具有吸电流和源电流能力

评估和设计支持

电路评估板

ADAS电路评估板(EVAL-ADAS3022EDZ)

ADP1613 不包括评估板

转换器评估与开发板(EVAL-CED1Z)设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1所示电路是一款高度集成、16位、1 MSPS、多路复用、8通道、灵活的数字采集系统(DAS)，集成可编程增益仪表放大器(PGIA)，能够处理全范围工业级信号。

图1. 完整的5 V、单电源、8通道数据采集解决方案，集成PGIA（原理示意图：未显示所有连接和去耦）

+5 V单电源为电路供电，高效率、低纹波升压转换器产生±15 V电压，可处理最高±24.576 V的差分输入信号（±2 LSB INL最大值、±0.5 LSB DNL典型值）。对于高精度应用，这款紧凑、经济型电路可以提供高精度和低噪声性能。

基于逐次逼近寄存器(SAR)的数据采集系统集成真正的高阻抗差分输入缓冲器，因此无需额外缓冲；缓冲通常用来减少基于容性数模转换器(DAC)的SAR模数转换器(ADC)产生的反冲。此外，该电路具有高共模抑制，无需外部仪表放大器；而通常存在共模信号的应用中需要用到仪表放大器。

ADAS3022是完整的16位、1 MSPS数据采集系统，集成如下器件：一个8通道、低泄漏多路复用器；一个具有高共模抑制的可编程增益仪表放大器级；一个精密低漂移4.096 V基准电压源；一个基准电压缓冲器；以及一个高性能、无延迟、16位SAR ADC。ADAS3022在每个转换周期结束时降低功耗，因此，工作电流和功耗与吞吐率成线性比例关系，使其成为低采样速率电池供电应用的理想选择。

ADAS3022集成8路输入和1路COM输入；该COM输入可配置为8路单端通道、参考同一基准电压的8路通道、4路差分通道或单端和差分通道的不同组合。

图1所示电路中，经AD8031运算放大器缓冲后的ADR434低噪声基准电压源提供参考电压。AD8031能够以快速恢复的方式驱动动态负载，因此非常适合用作参考缓冲器。

ADP1613是一款DC-DC升压转换器，集成电源开关，为ADAS3022提供片内输入多路复用器所需的±15 V高压电源，以及不影响ADAS3022性能的可编程增益仪表放大器。

本电路采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的组合，可同时提供高精度和低噪声性能。

电路描述

ADAS3022是首款单芯片上完整的DAS，能够以最高1 MSPS的速率进行转换，并接受最高±24.576 V的差分模拟输入信号。该器件需使用高压双极性电源：±15 V（VDDH和VSSH）、+5 V（AVDD和DVDD）、以及+1.8 V至+5 V (VIO)。

ADAS3022无需使用标准解决方案中的信号缓冲、电平转换、放大、噪声抑制以及其它模拟信号调理，简化了精密16位、1 MSPS DAS的设计难题。此外，ADAS3022以更高的数据速率、更小的尺寸、更快的产品上市时间、以及更低的价格，提供更佳的时序和噪声性能。

ADAS3022内部集成PGIA，可设置增益为0.16、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2和6.4，并且它能够处理的全差分输入范围分别为±24.576 V、±20.48 V、±10.24 V、±5.12 V、±2.56 V、±1.28 V和±0.64 V。输入范围参考内部4.096 V基准电压源。

对于COM引脚上的输入电压而言，它可测量伪差分、单极性和双极性的输入范围。

图1所示电路中，外部基准电压由4.096 V ADR434提供。ADR434具有高精度、低功耗（工作电流为800 μA）、低噪声、±0.12%最大初始误差以及出色的温度稳定性等特性。无论在具有高带宽要求的电池供电系统中，还是元件密度高且要求较低功耗的高速系统中，用于缓冲外部基准电压的AD8032低功耗运算放大器都是理想的选择。

ADAS3022数字接口由异步输入（CNV、RESET、PD和BUSY）以及兼容SPI、FPGA或DSP用于回读转换结果回读和编程配置寄存器的4线式串行接口（CS、SDO、SCK和DIN）组成。

ADP1613电源设计

ADP1613用作单端初级原边电感(SEPIC) Cuk转换器，是ADAS3022在外部5 V电源供电情况下，为其提供20 mA时所需±15 V高压电源以及最大值为3 mV的低输出纹波的理想选择。本应用中，ADP1613的开关频率为1.3 MHz。如图2所示，ADP1613尽可能地减少了外部元器件数目，并且具有超过86%的效率，因此它能满足ADAS3022的规格要求。在该拓扑中使用低成本ADP1613的最大优势，是它在两条供电轨之间的出色跟踪能力，同时使用现成的耦合电感可产生±15 V电压。除此之外，还能通过ADIsimPower设计工具轻松快捷地完成设计制造。

图2. ADP1613的功效(POUT/PIN)与输出电流(IOUT)的关系

图1所示电路采用ADP161x SEPIC-Cuk可下载设计工具中的下列输入进行设计，ADIsimPower提供该设计工具：

VINMIN = 4.75 V

VINMAX = 4.99 V

VOUT = 15 V

VRIPPLE = 0.02%

Ambient temperature = 55°C

环境温度 = 55°C

Optimized for lowest cost

针对最低成本优化

External filter option

外部滤波器选项

注意，ADP1613的SW引脚上的最大电压为：VIN + VOUT = 20 V，低于其21 V的绝对最大电压规格。针对大于等于5 V的输入电压，设计工具建议使用由SW引脚驱动的串接N沟道MOSFET。由于具有1 V的安全裕量，对于最高5.25 V输入、15 V输出而言，该电路无需使用FET。因此，设计工具中所用输入电压设为4.99 V。可在CN0201-设计支持包中找到ADP1613 SEPIC-Cuk转换器的设计结果。

动态性能

图3表示存在交流输入信号的情况下，ADAS3022的典型动态性能。试验中，分别采用线性±15 V台式电源和ADP1613评估板的±15 V输出驱动ADAS3022，未观察到有交流或直流性能的差异。

常见变化

其它外部4.096 V基准电压源可与ADAS3022一同使用，如ADR444和ADR4540。若需要，可使用AD8031或AD8605运算放大器作为外部基准电压缓冲器。

应参考ADAS3022数据手册，获取有关内部或外部基准电压源和基准电压缓冲器的更多使用建议。

ADP1612/ ADP1613/ ADP1614是升压、DC-DC转换器，集成电源开关，可提供最高20 V的输出电压。当ADP1613用作SEPIC-Cuk转换器时，其电流输出能力最高为60 mA。ADP1614提供最高120 mA的电源。利用ADIsimPower设计工具可进行完全定制设计，并通过单个控制器的低成本SEPIC-Cuk拓扑快速创建稳定的双路供电轨。

电路评估与测试

该电路使用ADI的ADP1613评估板、EVAL-ADAS3022EDZ评估板以及EVAL-CED1Z转换器评估和开发板测试，连接方式见图4。7 V壁式电源连接至EVAL-CED1Z，外部5 V电源连接至ADP1613评估板。

EVAL-ADAS3022EDZ是一款用户评估板，用以简化16位ADAS3022完整DAS的独立性能和功能测试。ADP1613评估板通过ADP161x SEPIC-Cuk可下载设计工具搭建，ADIsimPower提供该工具。