王林春，何文學(xué)，謝穩(wěn)，王卓，楊凡

(中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙410021)

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SAR型ADC的基準(zhǔn)源在變頻電源控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王林春，何文學(xué)，謝穩(wěn)，王卓，楊凡

(中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙410021)

摘要根據(jù)ADC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，詳細(xì)說明了電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)的重要性，并結(jié)合ADS8568型芯片的基準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)在變頻電源控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例，明確了電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)對(duì)變頻電源控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精確度的重要性，同時(shí)增加了變頻電機(jī)供電電源的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞變頻電源；ADC；逐次逼近；電壓基準(zhǔn)

0引言

逐次逼近寄存器型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(SAR-ADC)因其具有低功耗、高精度和小尺寸等特點(diǎn)，在便攜式測(cè)量?jī)x表、筆形輸入量化器以及變頻器控制系統(tǒng)的信號(hào)采集等產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛。SAR型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是采樣速率低于5MSPS的常見結(jié)構(gòu)，它的分辨率一般為8位至16位。然而，隨著應(yīng)用的日益增多，作為SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)-電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)將是不可或缺的重點(diǎn)。如果基準(zhǔn)都不精確、干凈、穩(wěn)定，那轉(zhuǎn)換出來的結(jié)果將會(huì)嚴(yán)重失真而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。

1工作原理

逐次逼近寄存器型ADC的內(nèi)部原理如圖1所示。ADC在采樣過程中輸入引腳VIN要對(duì)內(nèi)部的采樣電容C充電。而轉(zhuǎn)換過程中，VREF基準(zhǔn)源引腳要對(duì)電容轉(zhuǎn)化網(wǎng)充電，也即SAR型ADC的采樣保持和量化過程，都是對(duì)內(nèi)部電容的充電過程。

圖1逐次逼近寄存器型ADC的內(nèi)部原理框圖

在整個(gè)采樣轉(zhuǎn)換周期里，ADC只需要從VIN電路中抽取一次電荷，而要從VREF基準(zhǔn)源抽取N次電荷(N等于ADC的位數(shù))，而且抽取的周期更短。這就要求基準(zhǔn)源在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中，能夠更快的給轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)電容充電，并且保持基準(zhǔn)源電壓的恒定。圖2為一個(gè)典型的ADC外接基準(zhǔn)源電路。多數(shù)情況下，會(huì)關(guān)注基準(zhǔn)源的初始精度，但這個(gè)精度是可以通過軟件或硬件調(diào)整的。然而SAR-ADC的電壓基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)有很多更值得關(guān)注的地方，像圖中VREF引腳外接的10uF電容，它主要是給ADC內(nèi)部的轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)提供電荷，至關(guān)重要，但常被忽略。

圖2典型的ADC外接基準(zhǔn)源電路圖

2高質(zhì)量電壓基準(zhǔn)源電路的設(shè)計(jì)

REF50XX系列是TI公司最新設(shè)計(jì)的帶隙電壓基準(zhǔn)芯片，它以低噪聲、極低的溫度漂移和極高的輸出電壓精度以及迷你的封裝而備受好評(píng)。本文以此電壓基準(zhǔn)芯片設(shè)計(jì)為例，展示實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)圖表，來詳細(xì)的解釋一個(gè)高質(zhì)量電壓基準(zhǔn)源電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。REF50XX的芯片引腳定義圖和內(nèi)部原理框圖如圖3和圖4所示。

圖3REF50XX的芯片引腳定義圖

圖4內(nèi)部原理框圖

2.1給REF50XX基準(zhǔn)芯片的Trim引腳上加退偶電容

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，大家都會(huì)參照REF50XX芯片的推薦應(yīng)用將Trim引腳懸空，不加退偶電容，這樣設(shè)計(jì)輸出的基準(zhǔn)電壓會(huì)存在很大的噪聲而造成基準(zhǔn)不穩(wěn)。我們仔細(xì)查看圖4發(fā)現(xiàn)其芯片內(nèi)部有一個(gè)1.2V的帶隙基準(zhǔn)和一個(gè)用于設(shè)置精確輸出電壓的放大器，這兩個(gè)就是基準(zhǔn)噪聲的主要來源，并且?guī)痘鶞?zhǔn)的噪聲還要經(jīng)過后面的放大電路再放大一次。根據(jù)噪聲系數(shù)(NF)理論，最前級(jí)的噪聲往往決定信號(hào)鏈路的噪聲，因此越在前級(jí)減少噪聲越有效。如果在芯片的Trim引腳上加一個(gè)退偶電容，它將與內(nèi)部的1KΩ電阻形成一個(gè)低通濾波器，這樣可以給帶隙增加一個(gè)14.5Hz的極點(diǎn)和160Hz的零點(diǎn)，要想進(jìn)一步降低帶寬可以加大電容的容值。本次設(shè)計(jì)中我們?cè)赥rim引腳上對(duì)地接入一個(gè)1uF的電容。

2.2在基準(zhǔn)芯片輸出端選用大電容，最好是阻抗大的電容

在基準(zhǔn)芯片的輸出端外接一個(gè)大電容的目的是用來儲(chǔ)存足夠多的電荷，以備ADC內(nèi)部轉(zhuǎn)換電容抽取時(shí)，保證基準(zhǔn)源電壓的穩(wěn)定。根據(jù)ADC芯片手冊(cè)可知，SAR-ADC內(nèi)部的采樣電容和轉(zhuǎn)換電容的值一般為幾十個(gè)pF，對(duì)于一個(gè)16bits的ADC來說，如果外部基準(zhǔn)電壓有15ppm的波動(dòng)，就相當(dāng)于一個(gè)LSB。因此要保證輸送給內(nèi)部轉(zhuǎn)換電容充分電荷時(shí)基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定，在基準(zhǔn)的輸出端就要使用大電容，最好在uF級(jí)。但是這個(gè)電容的選取又會(huì)引出一個(gè)新問題，我們?cè)撨x阻抗小的瓷片電容還是阻抗大的鉭電容。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，電容的阻抗值越小越好，但對(duì)于基準(zhǔn)源的輸出端電容，就不是這樣了。我們根據(jù)圖4就可以看出，這個(gè)電容是作為基準(zhǔn)電壓源內(nèi)部緩沖放大器的負(fù)載而接到輸出端的。在運(yùn)放的輸出端接大電容，這會(huì)引起運(yùn)放的不穩(wěn)定，因?yàn)殡娙菖c運(yùn)放的輸出電阻形成一個(gè)新的極點(diǎn)，這個(gè)極點(diǎn)頻率會(huì)很低，故在此應(yīng)該選擇阻抗大的電容，這個(gè)阻抗會(huì)對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行滯后補(bǔ)償。由表1的測(cè)試結(jié)果可知，使用大阻抗的鉭電容做基準(zhǔn)源輸出端的電容時(shí)，基準(zhǔn)源的噪聲確實(shí)會(huì)下降一些，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中基于成本的原因，也可以選用瓷片電容，但需要在瓷片電容與基準(zhǔn)源輸出端串接一個(gè)小電阻來提高阻抗就能達(dá)到同樣的效果。

表1　不同阻抗值電容對(duì)應(yīng)的噪聲測(cè)量值

2.3在基準(zhǔn)電壓源的輸出端加低通濾波器

在本文的上述內(nèi)容中講到在基準(zhǔn)電壓源輸出端選擇加載一個(gè)阻抗大的電容來做內(nèi)部緩沖放大器的負(fù)載，但它還是會(huì)引入一個(gè)極點(diǎn)，這就有可能使緩沖輸出端的噪聲增加。圖5是基準(zhǔn)電壓源噪聲頻譜圖。

圖5基準(zhǔn)電壓源噪聲頻譜圖

據(jù)圖可知，在大約9kHz的地方有一個(gè)尖峰存在，這個(gè)尖峰成了基準(zhǔn)源輸出噪聲的主要部分。由官方資料可知，在80kHz帶寬內(nèi)測(cè)量的有效值電壓值大約為16.5uV。如果將這個(gè)基準(zhǔn)接到SAR-ADC中，在65kHz頻率范圍內(nèi)的峰-峰值約為138uV。基于外加電容所造成的基準(zhǔn)源內(nèi)部緩沖不穩(wěn)定而引起的噪聲增加，可以引入一個(gè)低通濾波器來有效的濾除。圖6是增加低通濾波器后的基準(zhǔn)源噪聲頻譜圖，通過對(duì)比后發(fā)現(xiàn)增加后的效果是很明顯的。

圖6增加低通濾波器后的基準(zhǔn)源噪聲頻譜圖

2.4為基準(zhǔn)電壓源的輸出增加外部緩沖

在基準(zhǔn)電壓源輸出端增加低通濾波器電路是不能直接連接到SAR-ADC的基準(zhǔn)源輸入引腳上的。原因就是，如果基準(zhǔn)電壓源輸出端增加的驅(qū)動(dòng)電容上的電荷被ADC的基準(zhǔn)源電路抽走了，基準(zhǔn)源要為電容充電，而電容后面增加的低通濾波器構(gòu)成的RC電路有一個(gè)時(shí)間常數(shù)Г。這個(gè)Г會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電容電荷得不到及時(shí)補(bǔ)充而使這個(gè)電容上的電壓出現(xiàn)下降。為了解決這個(gè)問題，我們引入基準(zhǔn)源緩沖器這個(gè)關(guān)鍵器件，即選用一個(gè)運(yùn)放加在基準(zhǔn)源濾波電路后面作為外部的緩沖器。這個(gè)緩沖器的選擇是很有講究的，因?yàn)樗恢皇窃龃蠡鶞?zhǔn)源的驅(qū)動(dòng)電流，更重要的是快速給驅(qū)動(dòng)電容充電。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電容的電荷被ADC抽走時(shí)，勢(shì)必造成電容的正端的電壓微小下降，這時(shí)就會(huì)引起緩沖運(yùn)放的輸出電壓下降，進(jìn)而引起運(yùn)放的反饋系統(tǒng)的響應(yīng)，使輸出電壓回到原來的值，也就是等于VREF基準(zhǔn)源的電壓值。要想使輸出電壓值迅速回到原VREF值的過程會(huì)受限于兩個(gè)因素：首先，運(yùn)放能否快速反饋調(diào)整輸出電壓回到原值，這就需要一個(gè)寬帶寬、高響應(yīng)速率的運(yùn)放做緩沖器，而且還需要高精度。再次，運(yùn)放要有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，可以快速給后面的電容充電。本文選用OPA350來做基準(zhǔn)源的緩沖器，因?yàn)镺PA350的增益帶寬積(GBW)為38MHz，而輸入失調(diào)電壓典型值為±150uV，指標(biāo)和能力完全能擔(dān)當(dāng)電壓基準(zhǔn)的緩沖器這一重任。

2.5基準(zhǔn)電壓源輸出引腳上電容值的確定

在本文上述內(nèi)容當(dāng)中就基準(zhǔn)源輸出引腳上電容類型的選取做了說明，本段將進(jìn)一步對(duì)這個(gè)電容的取值做最后的確定。一般在ADC的數(shù)據(jù)手冊(cè)當(dāng)中會(huì)給出這個(gè)電容的推薦值，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)盡可能選擇這個(gè)值或以上的容值。由于ADC在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期過程中都會(huì)從基準(zhǔn)源引腳抽取電荷，基準(zhǔn)源引腳電容電荷的減少必然會(huì)引起電容電壓的降低。這個(gè)由公式V=Q/C，當(dāng)Q發(fā)生變化時(shí)V也會(huì)發(fā)生變化。在最壞的情況下，這個(gè)電容電壓的減小，不能及時(shí)得到前面基準(zhǔn)源外部緩沖器給這個(gè)電容充電(這主要取決于緩沖器的響應(yīng)速度)。這就使得在轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束基準(zhǔn)源的電壓已經(jīng)發(fā)生了ΔVref的變化，要使得這一變化對(duì)ADC采樣值無影響，就必須要求ΔVref<1/2LSB。有了這一限制條件，我們就可以推算出這個(gè)電容的值。根據(jù)ADS8568數(shù)據(jù)手冊(cè)可知基準(zhǔn)源平均電流Iavr=1uA,完成一個(gè)轉(zhuǎn)換所需最快時(shí)間T=1.7us。由此可以計(jì)算出ADC在完成一個(gè)轉(zhuǎn)化輸出時(shí)，需要的總電量Q=Iavr×T= 1uA×1.7us。我們選擇的ADS8568是一個(gè)16bits的ADC，當(dāng)模擬AVDD=5V時(shí)，一個(gè)LSB的電壓值為L(zhǎng)SB=FSR/2^16 = 76uV，那么1/2的LSB為38uV。由電容的定義公式C=ΔQ/ΔV=(1uA ×1.7us)/38uV=0.045uF。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)為了保險(xiǎn)，一般將驅(qū)動(dòng)電容C的值選擇為計(jì)算值的5～10倍，并選用E24型標(biāo)準(zhǔn)的電容值。

3應(yīng)用效果

根據(jù)上述的計(jì)算和分析，并結(jié)合我公司工程項(xiàng)目的應(yīng)用需求，本文設(shè)計(jì)選用TI公司最新設(shè)計(jì)的8通道16位同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8568，本芯片運(yùn)用外部基準(zhǔn)源芯片REF5025給系統(tǒng)提供2.500V的基準(zhǔn)電壓，最終的實(shí)例設(shè)計(jì)電路圖如圖7所示，圖中基準(zhǔn)源引腳的電容值選取為0.22 uF，為了保證基準(zhǔn)源外部緩沖器工作的穩(wěn)定，電容的阻抗>0.2Ω。本實(shí)例目前應(yīng)用在一個(gè)大功率同步電動(dòng)機(jī)變頻器控制系統(tǒng)中，經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集精度高，達(dá)到預(yù)期目的。

圖7設(shè)計(jì)電路圖

4結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)試驗(yàn)變頻電源控制系統(tǒng)的逐次逼近寄存器型ADC的電壓基準(zhǔn)這一關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施的應(yīng)用分析，設(shè)計(jì)出了合適的基準(zhǔn)電路圖。讓廣大工程技術(shù)人員進(jìn)一步明白ADC的基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)對(duì)變頻電源控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定和精確度的重要性。

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[4]ADS8568 datasheet[Z].Texas Instruments Corporation,2011.10.

The Application of SAR Type of ADC Reference Source to Variable Frequency Power Source Control System

WangLinchun,HeWenxue,XieWen,WangZhuo,andYangFan

(China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd.,Changsha 410021, China)

AbstractAccording to internal structure of ADC and design essentials of reference circuit, the importance of designing voltage reference source is described in detail. Based on the design example of ADS8568 type of chip put out by TI Company, this paper makes clear the importance of voltage reference source design for data acquisition precision of variable-frequency power source control system.

Key wordsVariable-frequency power source；ADC；successive approximation；voltage reference

收稿日期：2016-01-08

作者簡(jiǎn)介：王林春男1965年生；畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，現(xiàn)從事技術(shù)及管理工作.

中圖分類號(hào)：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)02-0022-04

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.06