Designbeschreibung

Dieser Schaltkreis führt eine isolierte Spannungsmessung von ±12 V unter Verwendung des isolierten Verstärkers ISO224 und des SAR-ADC ADS745 durch. Der ISO224 kann echte Differenzialsignale von ±12 V mit einer festen Verstärkung von ⅓ V/V messen und erzeugt eine isolierte differenzielle Ausgangsspannung mit einer Gleichtaktspannung von VDD2 / 2. Der ADS7945 ist ein ADC mit vollständig differenziellem Eingang, einer Vollausschlag-Eingangsspannung von ±V_REF und einer Gleichtakt-Eingangsspannung von V_REF / 2 ±200 mV. Die Auswahl einer +5 V-Referenz ermöglicht es dem ADS7945, die Vollausschlag- und Gleichtaktausgänge des ISO224 zu akzeptieren. Die Erfassung des ISO224- Ausgangs mit einem A/D-Wandler mit vollständig differenziellem Eingang verdoppelt den Dynamikbereich des Systems im Vergleich zu einer unsymmetrischen Wandlung. Viele industrielle Hochspannungsanwendungen wie Schutzrelais, Kanal-zu-Kanal isolierte ±10 V Analog-Eingangskarten, und Inverter & Motorsteuerung. Die Gleichungen und Erklärungen zur Komponentenauswahl in diesem Design können auf der Grundlage der Anforderungen und Systemspezifikationen des Endgerätes angepasst werden.

Spezifikationen

Designhinweise

1. Der ADS7945 wurde aufgrund seines geringen Stromverbrauchs und einer kompatiblen analogen Eingangsstruktur mit dem ISO224 ausgewählt.
2. Überprüfen Sie den linearen Betrieb des Systems für den gewünschten Eingangssignalbereich. Dies wird mithilfe der Simulation im Abschnitt Merkmale der Gleichstromübertragung überprüft.
3. Wählen Sie COG-Kondensatoren für C_FILT , um Verzerrungen zu minimieren.
4. Das Verständnis und die Kalibrierung von Offset und Verstärkung für ADC-Systeme umfasst Methoden zur Fehleranalyse. Unter dem Link finden Sie Methoden zur Minimierung von Verstärkungs-, Offset-, Drift- und Rauschfehlern.
5. In der Schulungsvideoreihe TI Precision Labs – ADCs werden Methoden zur Auswahl der Ladeschaltkreise R_FILT und C_FILT behandelt. Diese Komponentenwerte sind von der Verstärkerbandbreite, der Abtastrate des Datenwandlers und dem Design des Datenwandlers abhängig. Die hier gezeigten Werte liefern eine gute Einschwingleistung und AC-Leistung für den Verstärker und den Datenwandler in diesem Beispiel. Wenn das Design geändert wird, muss ein anderer RC-Filter ausgewählt werden. Eine Erklärung zur Auswahl des RC-Filters für die beste Einschwingleistung und AC-Leistung finden Sie unter Einführung zur Auswahl der SAR-ADC-Frontend-Komponenten.

Komponentenauswahl

1. Wählen Sie einen isolierten Verstärker anhand des Eingangsspannungsbereichs aus, und legen Sie die Ausgangsgleichtaktspannung und den Ausgangsspannungsbereich fest:

   ISO224:

   • ±12 V unsymmetrischer Eingangsbereich
   • Feste Verstärkung von ⅓, mit einem Differenzausgang von ±4 V
   • Ausgangsgleichtaktspannung von +2,5 V
   • High-Side-Stromversorgung mit 4,5 bis 18 V, Low-Side-Stromversorgung mit 4,5 bis 5,5 V
   • Eingangs-Offset: ±5 mV bei 25 Grad Celsius, max. ±42 µV Grad Celsius
   • Verstärkungsfehler: ±0,3 % bei 25 Grad Celsius, max. ±50 ppm Grad Celsius
   • Nichtlinearität: Max. ±0,01 %, ±1 ppm Grad Celsius
   • Hohe Eingangsimpedanz von 1.25 MΩ

2. Wählen Sie einen ADC mit einem geeigneten Gleichtakt- und Differenzeingangsbereich zur Kopplung mit dem +2,5 V-Gleichtakt- und ±4 V-Differenzausgang des ISO224:

   ADS7945:

   • ±5 V maximaler Analogeingangsbereich
   • Vollausschlag-Eingangsbereich durch ±-Spannungsreferenz eingestellt
   • Eingangsgleichtaktbereich von V_REF / 2 ±0,2 V
   • 2,7 V bis 5,25 V-Stromversorgung
   • Hoher Rauschabstand von 84, geringer Stromverbrauch von 11,6 mW bei 2 Msps

3. Wählen Sie eine Spannungsreferenz, die die Gleichtaktbeschränkung unterstützt, die durch den 2,5 V-Gleichtaktausgang des ISO224 und die V_REF / 2 ±0,2 V-Gleichtakt-Eingangsspannung des ADS7945 eingestellt ist. Das bedeutet, dass die Referenzausgangsspannung 5 V betragen muss und eine konfigurierbare Eingangsspannung bevorzugt wird:

   REF5050:

   • 5 V Ausgang
   • Stromversorgung mit 5,2 V bis 18 V Eingangsspannung
   • 3 μVPP/V Rauschen

4. Wählen Sie R_1FILT, R_2FILT, und C_FILT für das Einschwingverhalten des Eingangssignals und der Abtastrate von 100 kSPS:

   Refine the R_FILT and C_FILT Values ist ein Video von TI Precision Labs, das die Methodik zur Auswahl von R_FILT und C_FILT zeigt. Der endgültige Wert von 120 Ω und 510 pF lag deutlich unter einem halben niedrigstwertigen Bit (LSB) innerhalb des Erfassungsfensters.

DC-Übertragungskennlinie

Die folgende Abbildung zeigt das simulierte Ausgangssignal bei einem Eingang von ±15 V. Der gewünschte Linearitätsbereich ist ein ±4 V-Ausgang für einen ±12 V-Eingang. Diese Simulation zeigt, dass der lineare Ausgangsbereich ca. ±4,6 V beträgt und damit die Anforderungen weit übertrifft.

Die Übertragungsfunktion zeigt, dass die ISO224-Verstärkung ⅓ beträgt (d.h. die Verstärkung · V_IN = V_OUT (⅓)·(12 V) = 4 V).

AC-Übertragungskennlinie

Die simulierte Bandbreite beträgt ca. 186 kHz und die Verstärkung beträgt –9,57 dB (oder 0,332 V/V), was der erwarteten Verstärkung und Bandbreite für den ISO224 (spezifiziert für fc = 175 kHz, Verstärkung = 0,333 V/V) sehr nahe kommt.

Simulation der Einschwingung des ADC-Eingangs bei Transienten

Die folgende Simulation zeigt die Ergebnisse des Einschwingvorgangs bei einer Erfassungszeit von 9.6 μs. Der 11 μV-Einschwingfehler liegt deutlich innerhalb des 0,5 × LSB-Grenzwerts von 305 μV. Detaillierte theoretische Informationen zu diesem Thema finden Sie unter Verfeinern der Rfilt- und Cfilt-Werte.

Rauschsimulation

Die folgende Rauschberechnung betrachtet nur das Rauschen des ISO224. Das ISO224- Rauschen ist wesentlich höher als andere Rauschquellen in der Schaltung, so dass das Gesamtrauschen ungefähr als ISO224-Rauschen berechnet werden kann. Die gleiche Methode kann für die Klasse B verwendet werden.

Das simulierte Rauschen ist größer als das erwartete berechnete Rauschen. Dieser Unterschied ist auf die Rauschüberhöhung im Simulationsmodell zurückzuführen. Die Rauschüberhöhung ist in der Berechnung nicht enthalten. Ausführliche Informationen zu diesem Thema finden Sie unter Berechnen des Gesamtrauschens für ADC-Systeme.

Design vorgestellter Bausteine

Designreferenzen

Eine umfassende Schaltkreisbibliothek von TI finden Sie in Analog Engineer's Circuit Cookbooks.

Link zu Schlüsseldateien

Sehen Sie sich die TINA-Dateien für isoliertes Design an.