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        高精度隔離模數(shù)轉換器電路的設計與驗證

        2019-06-17 01:22:38王林羅興科魏來周天熠
        卷宗 2019年13期
        關鍵詞:高精度

        王林 羅興科 魏來 周天熠

        摘 要:本文介紹了一種新型高精度隔離模數(shù)轉換器,它具有采集精度高、輸入量程自適應能力強,易于小型化等優(yōu)點,本文詳細介紹了新型隔離模數(shù)轉換器CGF1211應用電路的技術特點,工作原理和驗證手段。經(jīng)驗證,新型隔離模數(shù)轉換器在信息采集領域有著很好的應用前景和應用價值。

        關鍵詞:隔離模數(shù)轉換器;高精度;設計與驗證

        1 隔離模數(shù)轉換器簡介

        傳統(tǒng)隔離放大器(如BB-3656、CGF0711)實現(xiàn)了輸入與輸出之間以及電源與輸入、輸出之間的電氣隔離,能在輸入、輸出之間有很高電位差的條件下工作,具有很高的隔離模抑制比。但因為輸入、輸出都是模擬信號,存在著諸如線性度較低、僅支持單路模擬輸入、外圍分立電子元器件多、生產(chǎn)調(diào)試復雜、用計算機進行信號采集處理接口困難等缺點。

        近年來,隨著國內(nèi)元器件廠家技術實力和制造水平的不斷提高,新型隔離模數(shù)轉換器的國產(chǎn)化進程也在飛速發(fā)展。近年來,涌現(xiàn)出了一批性能較為出色的產(chǎn)品,CGF1211是其中的典型代表。CGF1211 是一款隔離型串行輸出模數(shù)轉換器,支持4路-5V~+5V模擬輸入通道,快速逐次逼近型A/D轉換,12bit串行數(shù)據(jù)輸出。可實現(xiàn)輸入地、輸出地與電源地的三端隔離。該器件的主要優(yōu)點是:線性度高、實現(xiàn)多路并行轉換、測量精度高、隔離性能好、價格便宜等。

        2 CGF1211電路設計原理

        CGF1211作為一款新型隔離模數(shù)轉換器,采用A/D轉換形式,保證很好的線性度。A/D轉換結果數(shù)字化串行輸出,減少器件引出線數(shù)量,且支持多路模擬通道輸入。具有數(shù)字化邏輯電平輸入/輸出,控制和數(shù)據(jù)讀出操作簡單方便。輸入、輸出和電源三端隔離,隔離效果好。CGF1211功能框圖如圖1所示。

        圖1 CGF1211功能框圖

        2.1 工作原理

        首先輸入CONVST的上升沿,啟動A/D的逐次逼近過程。在轉換啟動后,在內(nèi)部時鐘的控制下,A/D進行模數(shù)轉換過程,最大轉換時間為6μs,轉換結束后,轉換結果可以通過串行口輸出。為了獲得最佳的性能,A/D要求在下一次CONVST的上升沿600 ns之前,結束A/D的串行讀操作。需要注意的是:A/D每次串行輸出的數(shù)據(jù)為16位,串行輸出數(shù)據(jù)位的順序為先輸出4位“0”,然后以高位在前,低位在后的次序輸出12位轉換結果。轉換啟動信號控制器端口給出,該端口直接接到A/D的CONVST,從而啟動A/D轉換。由于A/D采用8腳封裝,引腳數(shù)量受到限制,故沒有指示轉換結束的狀態(tài)信號,這時可采用軟件延時的方法,保證在CONVST上升沿后6μs時開始進行串行數(shù)據(jù)讀操作,還要用軟件保證下一次轉換在串行讀數(shù)據(jù)結束后600 ns才開始,以上為控制轉換及串行通信讀數(shù)據(jù)的時序。

        表1 數(shù)字編碼規(guī)則

        模擬輸入 轉換輸出數(shù)字代碼

        +FSR/2—1LSB 011┄┄110—011┄┄111

        GND 111┄┄111—000┄┄000

        -FSR/2+1LSB 100┄┄000—100┄┄001

        模數(shù)轉換器的滿量程范圍FSR=10V(-5V—+5V),12bit串行輸出數(shù)據(jù)是補碼形式,輸出數(shù)字量編碼規(guī)則如表1所示。

        2.2 數(shù)字隔離傳輸部分

        采用高速CMOS和單片空芯變壓器技術的數(shù)字隔離器芯片,相比于光耦器件,后者每個單元的驅動電流至少要5mA以上,而數(shù)字隔離器4個單元的耗電≤2.8mA,工作溫度范圍-40℃~+105℃,最大數(shù)據(jù)速率1Mbps,最大傳輸延遲時間100nS,邏輯高、低電平輸入輸出,隔離電壓可達2kV,隔離效果好。

        2.3 多片并聯(lián)采集技術

        CGF1211還設置了片選端CS,CS=0 串行數(shù)據(jù)輸出端SDATA為高阻狀態(tài),CS=1,該器件被選中,可從串行數(shù)據(jù)輸出端SDATA讀出數(shù)據(jù)。使用中可多片并接控制,多片輸出端SDATA并接分時讀出,配合CGF1212隔離電源芯片,輸出2組互相隔離的+5V、+6.5V、-6.5V電壓,對多塊CGF1211提供隔離工作電源,可以將多塊CGF1211并聯(lián)運行,工作原理圖見圖2,提高了測量的集成度,降低了系統(tǒng)使用成本。

        圖2 多片CGF1211并聯(lián)工作原理圖

        3 CGF1211在信息采集系統(tǒng)中的應用

        為驗證新型隔離模數(shù)轉換器的性能水平,我們設計了如下驗證平臺,總體架構如圖3所示:

        圖3 新型模擬信號隔離采集設計架構圖

        為了實現(xiàn)數(shù)字化的隔離采集輸出,首先要在輸入端實現(xiàn)預處理。后端采用了自適應處理技術,實現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化、智能化。自適應處理的硬件部分選用AT89C51單片機作為運算處理單元,在保證實用性的同時提高數(shù)據(jù)的處理精度[1]。

        經(jīng)測試,隔離型串行模數(shù)轉換器CGF1211可以實現(xiàn)高速、高精度、多路并行模擬信號處理。與傳統(tǒng)芯片相比,CGF1211存在著如下優(yōu)勢:

        1)采樣精度達到12bit。

        2)線性度好,滿量程誤差≤2LSB。

        3)提供多路模擬通道輸入,降低了使用成本。

        4)使用電子元件集成度高,生產(chǎn)調(diào)試方便。

        5)分立電子元器件數(shù)量很少,提高了可靠性。

        6)可多片并接控制,多片輸出端SDATA并接分時讀出。

        4 結論

        新型隔離模數(shù)轉換器放大器具有采集精度高、輸入量程自適應能力強,易于小型化等的優(yōu)點。本文對新型隔離模數(shù)轉換器CGF1211的設計原理、功能及應用驗證中的相關問題進行了深入研討。經(jīng)驗證,作為模擬信號采集領域的前沿技術,提高了采集精度、集成度水平,降低了使用成本,社會效益和經(jīng)濟效益良好。

        參考文獻

        [1]陳玲等.12位A/D轉換器AD7893及與89C51的接口[J].應用科技,2002,29(10):14-15.

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