AD7401A 隔离式Σ-Δ调制器_简体中文
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Σ Δ模数转换器基本原理及应用(1)北京服装学院 (100029) 张亮孟庆昌华正权中国科学院长春物理研究所 (130021) 高光天摘要本文从过采样、噪声整形、数字滤波和采样抽取等概念入手, 介绍了Σ Δ模数转换器的工作原理和特性, 并给出了Σ Δ模数转换器与微机接口的应用实例。
关键词Σ ΔADC 过采样噪声整形数字滤波采样抽取随着超大规模集成电路制造水平的提高, 近年来Σ Δ模数转换器(以下简称ADC)正以其分辨率高、线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用, 特别是在既有模拟又有数字的混合信号处理场合更是如此。
本文将简要介绍Σ Δ ADC的基本原理及应用。
一、Σ Δ ADC基本原理Σ Δ ADC以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化, 通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率, 然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。
Σ Δ ADC 的电路结构是由非常简单的模拟电路(一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路)和十分复杂的数字信号处理电路构成。
要了解Σ Δ ADC的工作原理, 必须熟悉过采样、噪声整形、数字滤波和采样抽取等基本概念1.过采样ADC是一种数字输出与模拟输入成正比的电路, 图1给出了理想3位单极性ADC的转换特性, 横坐标是输入电压U IN 的相对值, 纵坐标是经过采样量化的数字输出量, 以二进制000~111表示。
理想ADC第一位的变迁发生在相当于1/2LSB的模拟电压值上, 以后每隔1LSB都发生一次变迁, 直至距离满度的1 1/2 LSB。
因为ADC的模拟量输入可以是任何值, 但数字输出是量化的, 所以实际的模拟输入与数字输出之间存在±1/2LSB的量化误差。
在交流采样应用中, 这种量化误差会产生量化噪声。
图1 理想3位ADC转换特性如果对理想ADC加一恒定直流输入电压, 那么多次采样得到的数字输出值总是相同的, 而且分辨率受量化误差的限制。
电能计量芯片 Sigma-Delta ADC降采样滤波器设计秦龙;陈光化;刘晶晶;曾为民【期刊名称】《计算机技术与发展》【年(卷),期】2013(000)001【摘要】Sigma-Delta ADC 精度高,是电能计量芯片的首选 ADC.文中设计了一个应用于电能计量芯片中∑-△ADC 的数字抽取滤波器,将∑-△调制器输出的串行比特流信号转换成多位并行输出.该抽取滤波器采样多级抽取结构,由级联积分梳状滤波器(Cascaded Integrator Comb,CIC),半带滤波器(Half Band Filter, HBF)以及 FIR 补偿滤波器组成.对各级滤波器的阶数、系数进行优秀设计,实现128倍的抽取.对HBF 采用有符号正则数编码节(CSD)编码,经优化设计后,在CSMC 0.18um 工艺下综合,与传统方法相比,面积减少8%,功耗降低15%.实验结果表明:该方法使抽取滤波器在面积和功耗上都有所改善,且性能完全符合电能计量芯片设计要求.%Electrical energy measurement requires high accuracy,Sigma-Delta ADC meets it. It presents a decimator filter that can be used in electrical energy measurement IC for ∑-△ADC,using this decimation will converted the Sigma-Delta modulator signal of the serial bit stream into a number of parallel. The filter consists of a CIC filter,a HBF and a FIR compensation filter. Optimize the order and coef-ficient to realize decimation ratio of 128. In implemention of HBF with CSD code,use CSMC 0. 18um process to synthesis and then found the area is less than 8% ,and power dissipation is less than 15% ,compared with convention method after optimization. Experimental re-sults show the decimation filter has improved in the areaand power,and performance in full compliance with the requirements of the ener-gy metering chip.【总页数】4页(P181-184)【作者】秦龙;陈光化;刘晶晶;曾为民【作者单位】上海大学微电子研究与开发中心,上海 200072;上海大学微电子研究与开发中心,上海 200072;上海大学微电子研究与开发中心,上海 200072;华润上华科技有限公司,江苏无锡 214028【正文语种】中文【中图分类】TP39【相关文献】1.基于Matlab的Sigma-Delta ADC中抽取滤波器设计与分析 [J], 罗燕;唐宁;何颖子2.12位Sigma-Delta模数转换器的降采样滤波器设计 [J], 黄博志3.基于MATLAB的Sigma-Delta ADC中数字滤波器设计 [J], 董阳;彭晓宏;吴艳伟4.Sigma-delta ADC中数字滤波器设计 [J], 王珩;陈勇5.适用于Sigma-Delta ADC的多抽取率数字滤波器设计 [J], 王尧;卜刚因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
用于电流电压监测和模数转换的隔离Σ-Δ调制器AD7400A、AD7401A
关键词:模数转换,电压电流监测,Σ-Δ调制
在很多时候,我们需要对电流电压等模拟信号进行采集转换成数字信号,方便MCU的处理,比如对各种变频器,电机电流电压的监测等。
Σ-Δ调制器的高分辨率等优点。
AD7400A、AD7401A是ADI的两款隔离式Σ-Δ调制器,采用16引脚SOIC封装,其中AD7400A还提供8脚表面贴装PDIP,AD7401A内置片上基准源。
选用合适的分流电阻可以对不同的电压电流进行监测:
通过下图我们可以看出,AD7401A的推荐输入范围为-200mV~200mV,因此对分流电阻的选择非常重要。
越来越多的应用,例如过程控制、称重等,都需要高分辨率、高集成度和低价格的ADC。
新型Σ-Δ转换技术恰好可以满足这些要求。
然而,很多设计者对于这种转换技术并不十分了解,因而更愿意选用传统的逐次比较ADC。
Σ-Δ转换器中的模拟部分非常简单(类似于一个1bit ADC),而数字部分要复杂得多,按照功能可划分为数字滤波和抽取单元。
由于更接近于一个数字器件,Σ-ΔADC的制造成本非常低廉。
一、Σ-ΔADC工作原理要理解Σ-ΔADC的工作原理,首先应对以下概念有所了解:过采样、噪声成形、数字滤波和抽取。
1. 过采样首先,考虑一个传统ADC的频域传输特性。
输入一个正弦信号,然后以频率fs采样--按照Nyquist定理,采样频率至少两倍于输入信号。
从FFT分析结果可以看到,一个单音和一系列频率分布于DC到fs /2间的随机噪声。
这就是所谓的量化噪声,主要是由于有限的ADC分辨率而造成的。
单音信号的幅度和所有频率噪声的RMS幅度之和的比值就是信号噪声比(SNR)。
对于一个Nbit ADC,SNR可由公式:SNR=6.02N+1.76dB得到。
为了改善SNR和更为精确地再现输入信号,对于传统ADC来讲,必须增加位数。
如果将采样频率提高一个过采样系数k,即采样频率为kfs,再来讨论同样的问题。
FFT分析显示噪声基线降低了,SNR值未变,但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。
Σ-Δ转换器正是利用了这一原理,具体方法是紧接着1bit ADC之后进行数字滤波。
大部分噪声被数字滤波器滤掉,这样,RMS噪声就降低了,从而一个低分辨率ADC,Σ-Δ转换器也可获得宽动态范围。
那么,简单的过采样和滤波是如何改善SNR的呢?一个1bit ADC的SNR为7.78dB(6.02+1.76),每4倍过采样将使SNR增加6dB,SNR每增加6dB等效于分辨率增加1bit。
这样,采用1bit ADC进行64倍过采样就能获得4bit分辨率;而要获得16bit 分辨率就必须进行415倍过采样,这是不切实际的。
ADI AD74413R四通道软件可配置输入/输出解决方案ADI公司的AD74413R是用于建筑物和过程控制应用的四通道可软件配置输入/输出解决方案.AD74413R包含了模拟输出,模拟输入,数字输入,电阻温度检测器(RTD)和热电偶测量以及串行外设接口(SPI).器件具有16位Σ-Δ模数转换器(ADC)和四个可配置13位数模转换器(DAC),提供四个可配置输入/输出通路和一套诊断功能.器件的模式包括低矮压输出,电流输出,电压输入,外部供电电流输入,回路供电电流输入,外部RTD测量,数字输入逻辑以及回路供电数字输入.AD74413R还包括高精度2.5V内部基准电压用来驱动DAC和ADC.工作温度−40℃至+105℃,64 引脚LFCSP封装.主要用在工业控制,过程控制,工厂自动化,马达驱动,建筑物控制系统.本文介绍了AD74413R主要特性,功能框图和详细功能框图,电阻测量配置图,数字输入逻辑模式配置图以及评估板EV-AD74413RSDZ主要特性,电路图,材料清单和PCB设计图.The AD74413R is a quad-channel software configurable input/output solution for building and process control applications. The AD74413R contains functionality for analog output, analog input, digital input, resistance temperature detector (RTD), and thermocouple measurements integrated into a single chip solution with a serial peripheral interface (SPI). The device features a 16-bit, Σ-Δ analog-to-digital converter (ADC) and four configurable, 13-bit digital-to-analog converters (DACs) to provide four configurable input/output channels and a suite of diagnostic functions. There are several modes related to the AD74413R. These modes are voltage output, current output, voltage input, externally powered current input, loop powered current input, external RTD measurement, digital input logic, and loop powered digital input. The AD74413R contains a high accuracy 2.5 V internal reference to drive the DACs and the ADC.AD74413R主要特性:Quad-channel software configurable input/output circuitScrew terminals tolerant to ±40 V dcLine protectors to block power from the screw terminals to suppliesUser configurable modesVoltage inputCurrent inputVoltage outputCurrent outputDigital inputRTD measurementInternal 16-bit, Σ-Δ ADC with optional 50 Hz and 60 Hz rejection13-bit monotonic DACsCharge pump for true zero voltage outputHART-compatibleInternal temperature sensor, ±5℃ accuracyOn-chip diagnostics including open circuit and short-circuit detectionSPI-compatibleTemperature range: −40℃ to +105℃64-lead LFCSPAD74413R应用:Process controlFactory automationMotor drivesBuilding control systems图1.AD74413R功能框图图2.AD74413R详细功能框图图3.AD74413R电阻测量配置图图4. AD74413R数字输入逻辑模式配置图评估板EV-AD74413RSDZEvaluating the AD74413R Quad-Channel, Software Configurable Input and Output The EV-AD74413RSDZ (see Figure 5) is a fully featured evaluationboard that can be used to evaluate the features of the AD74413R.The AD74413R is a quad-channel, software configurable, inputand output device. The device has functionality for analog output,analog input, digital input, and resistance temperature detector(RTD) measurements integrated into a single chip solutionwith a serial peripheral interface (SPI).The EV-AD74413RSDZ can be controlled via a systemdemonstration platform (SDP). The SDP-S controls the EVAD74413RSDZvia the USB port of a PC using the AD74413R evaluation software.The EV-AD74413RSDZ requires an AVDD operating supply of14 V to 28.8 V. When the EV-AD74413RSDZ is connected to thePC, the PC powers the SDP-S.See the AD74413R data sheet for more information about theAD74413R, and users must consult the data sheet in conjunctionwith this user guide when using the EV-AD74413RSDZ.评估板EV-AD74413RSDZ主要特性:Fully featured evaluation board for the AD74413ROn-board 2.5 V ADR4525 referenceSPI-compatiblePC-based software for controlEVALUATION KIT CONTENTSEV-AD74413RSDZ evaluation board图5.评估板EV-AD74413RSDZ外形图图6.评估板EV-AD74413RSDZ电路图(1)图7.评估板EV-AD74413RSDZ电路图(2)图8.评估板EV-AD74413RSDZ电路图(3)图9.评估板EV-AD74413RSDZ电路图(4) 评估板EV-AD74413RSDZ材料清单:图10.评估板EV-AD74413RSDZ PCB设计图(1)图11.评估板EV-AD74413RSDZ PCB设计图(2)图12.评估板EV-AD74413RSDZ PCB设计图(3)图13.评估板EV-AD74413RSDZ PCB设计图(4)。
AD7400A隔离式ΣΔ型调制器用作隔离放大器AD74xx系列隔离式ΣΔ型ADC通常与FPGA或DSP(如Blackfin®等)配合用于电机驱动,以便测量分流电阻上的相电流或监控直流总线电压。
不过,如果所用的微控制器功能不够强,则ΣΔ调制法可能并不适合。
这并不意味着这种情况下不能使用AD74xx,只需用简单的RC滤波器,便可将AD74xx转换为隔离放大器。
如果需要更高性能,也可以采用更复杂的有源滤波器。
这里说明如何利用AD7400A实施现隔离放大器。
隔离式ΣΔ型ADC的基本工作原理AD74xx ΣΔ型ADC将模拟输入信号转换为高速单比特数据流,如图1所示。
一个0 V差分信号产生占空比为50%的一连串1和0。
满量程双极性输入范围为± 320mV,分辨率为16位,但在实际操作中,AD7400A的可用线性输入范围为± 250mV,相当于从10.94%到89.06%的1的比特流。
图1. 模拟输入与调制器输出的关系如何将AD7400A用作隔离放大器自时钟AD7400A的典型输出数据速率为10 MHz,经过调制的单比特数据流类似于脉冲宽度调制(PWM)信号。
所生成的输出信号典型带宽只有大约1 Hz至10 Hz。
对AD7400A位流进行二阶调制,可以获得高得多的带宽。
图中显示一个简单的RC滤波器,它可提供最高100 kHz的带宽。
图2中的框图显示利用ADuM5000为副边提供隔离电源的实施方案。
ADuM5000是一款小尺寸隔离式DC/DC转换器。
© 版权所有2009 Analog Devices, Inc. 1图2. 利用ADuM5000提供隔离电源,将AD7400A用作隔离放大器的框图考虑因素/en/amplifiers-and-comparators/products/dt-adisim-design-sim-tool/Filter_Wiz/en/verifiedcircuits © 版权所有 2009 Analog Devices, Inc. 2将AD7400A用作隔离放大器时需要考虑几点。