电路笔记 CN-0194 连接/参考器件 Circuit from the LabTM实验室电路是经过测试的电路设 计，用于解决常见的设计挑战，方便设计人员轻松快 捷地实现系统集成。有关更多信息和技术支持，请访 问：www.analog.com/zh/CN0194。 AD7685 16位、250 kSPS PulSAR® ADC ADuM1402 四通道数字隔离器 ADR391 2.5 V、微功耗、低噪声、精密基准电压 源，内置关断功能 AD8615 精密、20 MHz、CMOS轨到轨输入/输出 运算放大器 电流隔离、双通道、16位、同步采样、菊花链连接的 数据采集系统 评估和设计支持 电路功能与优势 电路评估板 CN-0194电路评估板 (EVAL-CN0194-SDPZ) 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单 本电路为高速、高精度、同步采样模数转换应用提供电流 隔离，如图1所示。16位PulSAR ADC AD7685是一款多功 能器件，支持通过菊花链监控多个通道。基于运算放大器 AD8615的输入电路对±10 V工业信号进行电平转换、衰减 和缓冲，以满足ADC的输入要求。这个灵活的电路包括一 4.5V REF 5V 1.84V REF 100nF REF VDD VIO 33Ω U4 AD7685 IN+ 2.7nF IN– GND AD8615 ±10V INPUT AIN2 5V 1.84V REF 33Ω 2.7nF IN– GND AD8615 R5 1.24kΩ AD7685 IN+ SDO SCK CNV SDI R4 1kΩ 5V AD8615 ADR391 5V IN OUT GND U13 1kΩ R3 10µF GND2 3.3V 100nF VOA VIB VOB VOC VIC VOD VID SDP BOARD DATA RSCLK TSCLK TFS ADuM1402C 100nF REF VDD VIO VDD2 , VE2 GND1 5V 10µF U14 VDD1 , VE1 VIA SDO SCK CNV SDI 4.5V REF R19 1kΩ R20 4.42kΩ 5V 100nF 5V 100nF VDD1 , VE1 VDD2 , VE2 GND1 GND2 VIA VOA VIB VOB VOC VIC VOD VID 3.3V 100nF RFS 4.5V REF ADuM1402C 1.84V REF 2.80kΩ R6 09612-001 ±10V INPUT AIN1 5V 10µF R1 1kΩ R2 4.42kΩ 100nF 图1. 电流隔离的双通道、同步采样、16位、含菊花链连接的模数转换系统（原理示意图：未显示去耦和所有连接） Rev.0 Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com/zh Fax: 781.461.3113 ©2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0194 电路笔记 个精密基准电压源ADR391和两个四通道数字隔离器 ADuM1402，以便为常见的工业数据采集应用提供紧凑且 具成本效益的解决方案。 电路描述 AD7685是一款16位、电荷再分配、逐次逼近型(SAR)模数 转换器(ADC)，采用2.3 V至5.5 V单电源(VDD)供电。它内 置一个低功耗、高速、16位无失码、无流水线延迟的采样 ADC、一个内部转换时钟和一个多功能串行接口端口， 还集成了一个低噪声、宽带宽、短孔径延迟的采样保持电 路。在CNV上升沿，它对IN+与IN-之间的模拟输入电压 差进行采样，范围从0 V至VREF。基准电压VREF由外部 提供，范围从0.5 V至VDD。图1所示电路采用4.5 V基准 电压。 AD7685的功耗与采样速率成线性比例关系。VDD = 5 V且 采样速率为250 kSPS时，最大功耗为15 mW。AD7685采用 10引脚MSOP封装或10引脚QFN(LFCSP)封装，工作温度 范围为-40°C至+85°C。SPI兼容串行接口还能够利用SDI输 入，将几个ADC以菊花链形式连结到单条三线式总线上， 或提供一个可选的繁忙(BUSY)指示功能。它采用独立的 VIO电源引脚，与1.8V、2.5V、3V或5V逻辑兼容。 完整的模拟信号链采用5 V单电源供电。低压差2.5 V基准电 压源ADR391和U13轨到轨CMOS运算放大器AD8615，产生 ADC所用的4.5 V基准电压。4.5 V基准电压在U13的输出端 提供0.5 V裕量，因此，在5 V电源的标称变化范围内，运算 放大器始终保持在线性区域内工作。ADR391 2.5 V输出由 U13的噪声增益(1 + R4/R5)放大。对于所选的R4和R5值，噪 声增益为1.8，因此基准电压为1.8 × 2.5 V = 4.5 V。 U4和U14运算放大器AD8615提供0.225的信号增益（由R1与 R2和R19与R20的比值设置），将20 V p-p的输入信号幅度 降至ADC输入端的4.5 V p-p。对于0 V输入，U4和U14的输 出端需要2.25 V偏移，这就要求U4和U14同相输入端的共模 电压为1.84 V，该电压由电阻分压器R3-R6产生。 U4和U14输出端的R-C网络（33 Ω、2.7 nF）形成一个带宽 为1.8 MHz的单极点噪声滤波器。 AD8615是一款CMOS轨到轨输入和输出、单电源放大器， 具有极低失调电压、宽信号带宽以及低输入电压和电流噪 声等特性。该器件采用DigiTrim®专利调整技术，无需激光 调整便可达到出色的精度。AD8615采用2.7 V至5 V单电源 供电。 20 MHz以上的带宽、低失调、低噪声和低输入偏置电流特 性的结合，使该放大器适合各种应用。滤波器、积分器、 光电二极管放大器和高阻抗传感器等器件均可受益于这些 特性组合。宽带宽和低失真特性则有益于交流应用。在 DigiTrim系列中，AD8615提供最高的输出驱动能力，是音 频线路驱动器和其它低阻抗应用的理想选择。 该器件的具体应用包括：便携式和低功耗仪器仪表、便携 式设备的音频放大、便携式电话耳机、条形码扫描器以及 多极点滤波器。它还具有轨到轨输入与输出摆幅能力，因 而设计人员可以在单电源系统中缓冲CMOS ADC、DAC、 ASIC及其它宽输出摆幅器件。 ADR391是一款微功耗、低压差基准电压源，可利用仅比输 出电压高出300 mV的电源提供稳定的输出电压。先进的设 计无需外部电容，可进一步节省电路板空间、降低成本。 ADR391精密基准电压源具有低功耗、小尺寸和易于使用的 特点，非常适合电池供电应用。该器件利用ADI公司的温 度漂移曲率校正专利技术，可在TSOT封装中实现9 ppm/°C 的低温漂特性。 ADuM1402是一款采用ADI公司i Coupler®技术的四通道数 字隔离器。该隔离器件将高速CMOS与单芯片空芯变压器 技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能 特征。 i Coupler器件不用LED和光电二极管，因而不存在一般与光 耦合器相关的设计困难。简单的i Coupler数字接口和稳定 的性能特征，可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确 定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。 这些i Coupler产品不需要外部驱动器和其它分立器件。此 外，在信号数据速率相当的情况下，i Coupler器件的功耗只 有光耦合器的1/10至1/6。 Rev. 0 | Page 2 of 5 CN-0194 电路笔记 AIN1 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0 AIN2 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 SAMPLE NUMBER 图2. 两个相位相差90°的独立±10V输入信号(AIN1、AIN2)的15,000个样 本，施加于EVAL-CN0194-SDPZ板（菊花链模式）的AIN1和AIN2，采样 速率250 kSPS 09612-003 将两个相位相差90°的±10 V信号施加于EVAL-CN0194-SDPZ 板的两个通道（AIN1和AIN2），利用随附的评估软件获 得转换结果，如图2所示。使用随附的评估软件还可以查看 FFT数据（图3），以及固定直流电平时的代码直方图（图 4）。 有关本电路笔记的完整设计支持包，请参阅 www.analog.com/CN0194-DesignSupport。 09612-002 图1显示AD7685如何通过菊花链连接起来，以减少需要隔 离的信号数量。注意，RSCLK和RFS分别是AD7685串行时 钟(SCK)和串行帧同步(CNV)的回读结果，这些回读信号 相对于DATA信号的偏斜必须非常短。该偏斜为数字隔离 器的通道间匹配传播延迟(t PSKCD)，对于ADuM1402C小于 2 ns。因此，串行接口能够以数字隔离器的最大速度工作 （ADuM1402C为90 Mbps），对应于90 MHz的最大串行 时钟频率。如果延迟过长，它可能要受到数字隔离器传播 延迟级联的限制。本电路中，对于250 kSPS的采样频率， TSCLK频率为30 MHz。 该电路或任何高速电路的性能都高度依赖于适当的PCB布 局，包括但不限于电源旁路、受控阻抗线路（如需要）、 元件布局、信号布线以及电源层和接地层。（有关PCB布 局的详情，请参见指南MT-031、MT-101和高速印刷电路板 布局实用指南 一文。） OUTPUT CODE ADuM1402隔离器提供四个独立的隔离通道，支持2/2方向 和最高达90 Mbps（C级）的多种数据速率（请参考数据手 册“订购指南”部分）。所有型号均可采用2.7 V至5.5 V 电源电压工作，与低压系统兼容，并且能够跨越隔离栅实 现电压转换功能。此外，ADuM1402具有低脉冲宽度失真 （小于2 ns）和严格的通道间匹配（小于2 ns）特性。与其 它光耦合器不同，ADuM1402隔离器具有已取得专利的刷 新特性，可确保不存在输入逻辑转换时及缺少一个电源条 件下的直流正确性。 图3. Kaiser窗口（参数 = 20）、20 kHz输入、250 kSPS采样速率下的FFT Rev. 0 | Page 3 of 5 NUMBER OF OCCURENCES CN-0194 电路笔记 200,000 • 电源：+6 V或+6 V壁式电源适配器 180,000 • 低失真信号源，如Audio Precision System Two 2322等 160,000 开始使用 140,000 将CN0194评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估 软件。打开“我的电脑”，找到包含评估软件光盘的驱动 器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使 用评估软件。 120,000 100,000 80,000 功能框图 60,000 电路框图参见本电路笔记的图1，电路原理图参见PDF文件 “EVAL-CN0194-SDPZ-SCH”。此文件位于CN0194设计支 持包中。 40,000 0 33,025 33,026 33,027 33,028 33,029 ADC OUTPUT CODE 33,030 33,031 09612-004 20,000 图4. 一个直流输入的直方图（码中心，390,000个样本） 常见变化 PulSAR系列的其它引脚兼容16位ADC提供更高的采样速 率：AD7686 (500 kSPS)、AD7980 (1 MSPS)和AD7983 (1.33 MSPS)。 如果需要18位分辨率，下列器件也是PulSAR系列的引脚兼 容产品：AD7691 (250 kSPS)、AD7690 (500 kSPS)、AD7982 (1 MSPS)和AD7984 (1.33 MSPS)。 运 算放 大器A D 8 61 5 还 提 供 双 通 道( A D 8 616 ) 和 四 通 道 (AD8618)版本。其它可用的驱动运算放大器包括ADA4841-1 （单通道）、ADA4841-2（双通道）和ADA4941-1（双通道差 分）。 电路评估与测试 本电路使用EVAL-CN0194-SDPZ电路板和EVAL-SDP-CB1Z 系统演示平台(SDP)评估板。这两片板具有120引脚的对 接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。EVALCN0194-SDPZ板包含要评估的电路，如本笔记所述。SDP 评估板与CN0194评估软件一起使用，可从EVAL-CN0194SDPZ电路板获取数据。 设置 EVAL-CN0194-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到 EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上标有“CON A”的连接 器。应使用尼龙五金配件，通过120引脚连接器两端的孔牢 牢固定这两片板。在断电情况下，将一个+6 V电源连接到 板上标有“+6V CFTL”和“+6 V SDP”的引脚。如果有+6 V壁式电源适配器，可以将它连接到板上的管式插孔连接 器，代替+6 V电源。SDP板附带的USB电缆连接到PC上的 USB端口。注：此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微 型USB连接器。 测试 为连接到EVAL-CN0194-SDPZ电路板的+6 V电源（或壁式 电源适配器）通电。启动评估软件，并通过USB电缆将PC 连接到SDP板上的微型USB连接器。如果设备管理器中列出 了Analog Devices System Development Platform驱动器，软件 将能与SDP板通信。 一旦USB通信建立，就可以使用SDP板来发送、接收、捕捉 来自EVAL-CN0194-SDPZ板的串行数据。 本电路笔记中的数据是利用Audio Precision System Two 2322 信号源和GlobTek电源产生，信号源的频率设置如图中 所示。 有关SDP板的信息，请访问：www.analog.com/zh/SDP。 设备要求 • 带USB端口和Windows® XP、Windows Vista（32位）或 Windows 7（32位）PC • EVAL-CN0194-SDPZ电路评估板 • EVAL-SDP-CB1Z SDP评估板 • CN-0194评估软件 Rev. 0 | Page 4 of 5 CN-0194 电路笔记 进一步阅读 CN-0194 Design Support Package: www.analog.com/CN0194-DesignSupport 数据手册和评估板 SDP User Guide System Demonstration Platform (EVAL-SDP-CB1Z) Ardizzoni, John. “A Practical Guide to High-Speed PrintedCircuit-Board Layout,” Analog Dialogue . 39-09, September 2005. AD7685 Data Sheet CN-0194 Circuit Evaluation Board (EVAL-CN0194-SDPZ) MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of “AGND ” and “DGND ”, Analog Devices. MT-073 Tutorial, High Speed Variable Gain Amplifiers (VGAs) , Analog Devices. MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques , Analog Devices. AD7685 Evaluation Board ADuM1402 Data Sheet AD8615 Data Sheet ADR391 Data Sheet 修订历史 9/11—Revision 0: Initial Version (Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab circuits. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, "Circuits from the Lab" are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab circuits at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. CN09612sc-0-10/11(0) www.analog.com Rev. 0 | Page 5 of 5