電路功能與優勢

　　圖1所示電路是一個完整的模擬前端，它利用一個16位差分輸入PulSAR® ADC對±10 V工業級信號進行數字轉換。該電路僅利用兩個模擬器件，來提供一路具有高共模抑制（CMR）性能的高阻抗儀表放大器輸入、電平轉換、衰減和差分轉換功能。由于具有高集成度，該電路可節省印刷電路板空間，為常見的工業應用提供高性價比解決方案。

　　在過程控制和工業自動化系統中，典型的信號電平最高可達±10 V。而來自熱電偶和稱重傳感器等傳感器的信號輸入則較小，因此常常會遇到大共模電壓擺幅，這就需要靈活的模擬輸入，它能以高共模抑制性能處理大小差分信號，同時具有高阻抗輸入。

　　圖1. 適合工業過程控制應用的高性能模擬前端（原理示意圖：所有連接和去耦均未顯示）

　　用現代低壓ADC處理工業級信號時，必須進行衰減和電平轉換。此外，全差分輸入ADC具有以下優勢：良好的共模抑制性能，更少的二階失真產物，以及簡化的直流調整算法。因此，工業信號需要經過進一步調理才能與差分輸入ADC正確接口。

　　圖1所示電路是一個完整且具有高集成度的模擬前端工業級信號調理器，僅使用兩個有源器件來驅動差分輸入16位PulSAR ADC AD7687 ：精密儀表放大器（片內集成兩個輔助運算放大器） AD8295 precision in-amp （with two on-chip auxiliary op amps） 和電平轉換器/ADC驅動器AD8275 。低噪聲2.5V XFET®基準電壓源 ADR431 為ADC提供基準電壓。

　　AD8295是一款精密儀表放大器，片內集成兩個非專用信號處理放大器和兩個精密匹配的20 kΩ電阻，采用4 mm &TImes; 4 mm封裝。

　　AD8275是一款G = 0.2差動放大器，可以用來衰減±10 V工業信號，衰減后的信號可以與單電源低壓ADC輕松接口。AD8275在該電路中執行衰減和電平轉換功能，可以保持良好的CMR，無需任何外部元件。

　　AD7687是一款16位逐次逼近型ADC，采用2.3 V至5.5 V的單電源供電。它采用差分輸入，具有良好的CMR，并且能夠簡化SAR ADC的使用。

　　電路描述

　　該電路由用作模擬前端電路的AD8295和AD8275、ADC AD7687以及基準電壓源ADR431組成，只需少量外部元件進行去耦等。

　　儀表放大器（集成于 AD8295）

　　AD8295中集成的儀表放大器（IA）的工作條件設置為1倍的增益。如果應用需要更高的增益，可以增加一個適當的外部增益電阻。AD8295的電源為±15 V，完全支持±10 V工業輸入信號電平。儀表放大器的基準電壓引腳接地，因此AD8295的輸出以地為基準。

　　差動放大器/衰減器（ AD8275）

　　AD8295儀表放大器輸出單端信號，最大幅度為±10 V。必須將該信號衰減并轉換到適當的電平，以便驅動AD7687 ADC。如果在AD8295的輸出端直接使用一個簡單的阻性電平衰減器級，將無法提供差分輸出來驅動ADC。AD8275 （G = 0.2）電平轉換器是一個差動放大器，內置精密激光調整匹配薄膜電阻，可確保低增益誤差、低增益漂移（最大1 ppm/°C）和高共模抑制（80 dB）特性。AD8275具有+3.3 V至+15 V的寬電源電壓范圍，采用+5 V單電源供電時，輸入電壓范圍寬達−12.3 V至+12 V。

　　圖1所示電路使用一個平衡差動放大器，它由AD8275 （U2）和AD8295中的一個非專用運放（U1-C）組成。此運放（U1-C）用于反轉AD8275的正輸出（從而提供互補的負輸出），并且驅動 AD8275的REF1和REF2引腳。差分輸出的輸出共模電壓（VCOM = 1.25 V）由連接到2.5 V基準電壓源的10 kΩ外部電阻分壓器產生，并且應用于U1-C的同相輸入。描述電路操作的方程式如下：

　　VOUTP + VOUTN = 2 &TImes; VCOM

　　VOUTP = VOUTN + 0.2 &TImes; VIN

　　VOUTP = VCOM + 0.1 &TImes; VIN

　　VOUTN = VCOM − 0.1 × VIN

　　根據以上方程式，對于±10 V輸入電壓，ADC的各輸入電壓（VOPTP和VOUTN）擺幅為0.25 V至2.25 V，彼此180°反相，共模電壓為1.25 V。因此，差分信號使用ADC可用差分輸入范圍5 V中的4 V。

　　ADR431是2.5 V XFET系列基準電壓源，具有低噪聲、高精度和低溫度漂移性能。ADR431驅動電阻分壓器和AD7687 ADC的基準電壓輸入。ADR431輸出由AD8295中的另一個非專用運放（U1-B）緩沖，并且驅動AD7687的電源（VDD）。由兩個33 Ω電阻和一個1.5 nF電容組成的一個單極點RC濾波器充當AD7687的3 MHz截止抗混疊和降噪濾波器。

　　布局布線考慮

　　該電路或任何高速/高分辨率電路的性能都高度依賴于適當的PCB布局，包括但不限于電源旁路、信號路由以及適當的電源層和接地層。有關PCB布局的詳情，請參見指南 Tutorial MT-031、 MT-101和“高速印刷電路板布局實用指南”一文。

　　圖2. Kaiser窗口（參數 = 20）、20 kHz輸入、250 kSPS采樣速率下的FFT

　　系統性能

　　交流性能在系統級進行測試，AD7687的采樣速率為250 kSPS。圖2所示為5 V p-p 20 kHz輸入時的FFT測試結果。圖3所示為10 V DC輸入時的ADC輸出直方圖。

　　評估軟件產生的結果如下：

　　SNR = 85.531 dBFS （不含諧波）

　　信納比（SINAD） = 81.432 dBFS.

　　SFDR = 77.403 dBFS.

　　THD = –76.479 dBFS

　　圖3. 10 V DC輸入時的直方圖，15，000個樣本