用于±10 V输入的单电源、彻底阻隔式数据收集体系(一)

来源：大鱼游戏官网    发布时间：2025-08-25 06:02:23

  图1所示电路是只选用了三个有源器材的彻底阻隔式12位、300 kSPS数据收集体系。

  该体系选用3.3 V单电源供电，可处理±10 V输入信号。室温校准后，在±10°C温度改变规模内的总差错不超越±0.1% FSR，是各种工业丈量运用的抱负之选。

  该电路的细巧尺度使得该组合成为业界抢先的数据收集体系解决方案，在这种体系中精度、速度、本钱和尺度极为要害。数据和电源彼此阻隔，因而该电路具有十分超卓的高电压耐受性，一起还能有很大成效防止恶劣工业环境下常见的接地环路搅扰问题。

  该电路由一个输入信号调度级、一个ADC级和一个输出阻隔级构成。±10 V输入信号由U1A运算放大器进行电平转化和衰减，该运算放大器是双通道AD8606的一半。该运算放大器的输出为0.1 V至2.4 V，与ADC的输入规模相匹配(0 V至2.5 V)，裕量为100 mV用于保持线性度。来自ADC的缓冲基准电压(VREF =2.5 V)用于生成所需失调。能够修正电阻值，以习惯本电路笔记后边部分所述的其他常用输入规模。

  该电路设计支撑单电源供电。AD8606的最小额定输出电压为50 mV(2.7 V电源)和290 mV(5 V电源)，负载电流为10 mA，温度规模为-40°C至+125°C.在3.3 V电源、负载电流低于1 mA、温度规模更窄的情况下，保存估量最小输出电压为45 mV至60 mV.

  考虑到器材的容差，最小输出电压(规模下限)设为100 mV，以供给安全裕量。输出规模的上限设为2.4 V，以便为ADC输入端的正摆幅供给100 mV的裕量。因而，输入运算放大器的标称输出电压规模为0.1 V至2.4 V.

  本运用中选用AD8606的原因是该器材具有低失调电压(最大值65μV)、低偏置电流(最大值1 pA)和低噪声(最大值12 nV/√Hz)等特性。在3.3V电源下，功耗仅为9.2 mW.

  运算放大器的输出级后接一个单极点RC滤波器(R3/C9)，用于下降带外噪声。RC滤波器的截止频率设为664 kHz.可增加一个可选二阶滤波器(R4、C10和R1、R2、C11)，以便在呈现低频工业噪声的情况下，逐渐下降滤波器截止频率。在这类情况下，因为信号带宽较小，因而能下降AD7091R的采样速率。

  选用3.3V电源供电时，该电路的总功耗(不包含ADuM5401阻隔器)约为10.4 mW.

  电流阻隔由四通道数字阻隔器ADuM5401(C级)供给。除了阻隔输出数据以外，ADuM5401还为该电路供给阻隔3.3 V电源。除非需求阻隔，不然电路正常运行时并不是特别需求ADuM5401.ADuM5401四通道2.5 kV阻隔器集成DC/DC转化器，选用小型16引脚SOIC封装。ADuM5401在7 MHz时钟频率下的功耗约为140 mW.

  虽然AD7091R是一款12位ADC，但串行数据相同被格局化为16位字，以便与处理器串行端口要求相兼容。因而，采样周期TS包含AD7091R 650 ns的转化时刻加上58 ns(数据手册要求的额定时刻，t1推迟+ tQUIET推迟)，再加上用于SPI接口数据传输的16个时钟周期。

  为了供给安全裕量，主张将SCLK和采样速率的最大值别离设为7 MHz和300 kSPS.数字SPI接口能够用12引脚且兼容Pmod的连接器(Digilent Pmod规范)连接到微处理器评价板。

  图2所示电路可将-10 V至+10 V输入信号衰减及电平转化为0.1 V至2.4 V的ADC输入规模。

  由等式4可知，关于k =1.23(该值可改变，详细取决于规范数值电阻R1和R2的值)，R4/R的比值可核算如下：

  由等式2中的电阻R和R0，以及等式8和等式9中的比值可知，R4/R6比值可核算如下：

  假如细心挑选这些值，因运用代替规范值电阻导致的总差错可降至几个百分点以下。但是，应经过等式1来从头核算U1A运算放大器在±10 V输入下的输出，以保证保持所需裕量。

  这类电路的肯定精度首要依据电阻，因而，有必要进行增益和失调校准，以消除因代替规范值电阻和电阻容差导致的差错。

  用等式2中界说的数值替换等式17和等式18中的R和R0，并求解两个等式，得出R4/R6比值。

  挑选电阻R6的值。经过R4/R6比值算出R4.得到R4和R6数值，经过等式2和R4/R6比值核算R5.经过等式16核算R2和R1.可适当挑选R1 = R4并核算R2.

  公式1标明，输出电压与以下五个电阻相关：R1、R2、R4、R5和R6.TP1处的满量程输出电压对这五个电阻中每个阻值的细小改变灵敏，它的灵敏度经过仿真程序核算。电路的输入电压为+10 V.核算得到的各灵敏度为SR1 = 0.19、SR2 = 0.19、SR4 = 0.39、SR5 = 0.11、SR6 = 0.50.假定各温度系数以和方根(rss)方法组合，则选用100 ppm/°C电阻时，总满量程漂移约为：