CN0350 12位、1 MSPS單電源雙芯片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于壓電傳感器

CN0350 經(jīng)驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。 可在該配置中采用其他精密運算放大器和其他ADC，以將±1000 pC輸入電荷范圍轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，用于本電路的各種其他應(yīng)用中。 可依據(jù)“電路設(shè)計”部分的等式，針對±1000 pC輸入電荷范圍以外進行設(shè)計，如圖1所示。 連接器TP3和TP4可用于將額外的電容與C2并聯(lián)起來，以構(gòu)建其他范圍的電路。 連接器TP1和TP2可用于將額外的電容與CCAL并聯(lián)起來，以校準其他范圍的電路。 AD7091與AD7091R類似，但沒有基準電壓輸出，而且輸入范圍等于電源電壓。AD7091可與2.5 V ADR3425基準電壓源配合使用。ADR3425不需要緩沖，因此可在電路中使用單通道AD8605和雙通道AD8606。 ADR3425是一款精密2.5 V帶隙基準電壓源，具有低功耗、高精度（溫度漂移為8 ppm/°C）等特性，采用6引腳SOT-23封裝。 AD8601、AD8602和AD8604分別為單通道、雙通道和四通道軌到軌、輸入和輸出、單電源放大器，具有超低失調(diào)電壓和寬信號帶寬等特性，可以替代AD8605、AD8606和AD8608。 AD7457是一款12位、100 kSPS、低功耗SAR ADC，在不需要高吞吐速率的情況下，可以與ADR3425基準電壓源相配合，用于代替AD7091R。 本電路采用EVAL-CN0350-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z和 EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP)評估板。 轉(zhuǎn)接板SDP-PMD-IB1Z和SDP板EVAL-SDP-CB1Z采用120引腳對接連接器。 轉(zhuǎn)接板和EVAL-CN0350-PMDZ板采用12引腳PMOD對接連接器，可快速進行設(shè)置和評估電路性能。 EVAL-CN0350-PMDZ板包含要評估的電路（如本筆記所述），SDP評估板與CN0350評估軟件配合使用，以捕獲來自EVAL-CN0350-PMDZ電路板的數(shù)據(jù)。 設(shè)備要求 帶USB端口的, Windows? XP or Windows Vista? (32-bit), or Windows? 7/8 (64-bit or 32-bit) EVAL-CN0350-PMDZ 電路評估板 EVAL-SDP-CB1Z SDP 評估板 SDP-PMD-IB1Z 轉(zhuǎn)接板 EVAL-CFTL-6V-PWRZ 電源 CN0350 評估軟件 精密電壓發(fā)生器 開始使用 將CN0350評估軟件光盤放進PC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。 也可以從CN0350評估軟件中下載最新版的評估軟件。 打開“我的電腦”，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，打開文件setup.exe。按照屏幕上的提示完成安裝。 建議將所有軟件安裝在默認位置。 功能框圖 圖6所示為測試設(shè)置的功能框圖。 設(shè)置 通過直流管式插孔將EVAL-CFTL-6V-PWRZ（+6 V直流電源）連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板 通過120引腳ConA連接器將SDP-PMD-IB1Z（轉(zhuǎn)接板）連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板 通過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z（SDP板）連接到PC 通過12引腳接頭PMOD連接器將EVAL-CN0350-PMDZ評估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板 通過端子板J1Test將電壓發(fā)生器連接到EVAL-CN0350-PMDZ評估板 啟動評估軟件。 如果設(shè)備管理器中列出了Analog Devices系統(tǒng)開發(fā)平臺驅(qū)動器，軟件將能與SDP板通信。 一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0350-PMDZ板的串行數(shù)據(jù)。 可將各種輸入電壓值保存到電腦中。 有關(guān)如何使用評估軟件來捕獲數(shù)據(jù)的信息和詳情，請參見CN0350軟件用戶指南。 ? 圖6. 測試設(shè)置功能框圖 ? 圖 7. EVAL-CN0350-PMDZ板的照片 ? 該電路由一個輸入信號調(diào)理級和一個ADC級構(gòu)成。 電流輸入信號由電荷-電壓轉(zhuǎn)換器（運算放大器U1A的電荷放大器和電容C2）轉(zhuǎn)換成電壓，并由同相放大器（運算放大器U1D和電阻R7和R8）放大。 ADC的基準電壓(VREF =2.5 V)經(jīng)過緩沖和衰減（運算放大器U1B和U1C以及電阻R1和R2），產(chǎn)生1.25 V的失調(diào)HREF，用于將來自傳感器的交流信號調(diào)理至ADC的輸入范圍之內(nèi)。 運算放大器U1A、U1B、U1C和U1D都是四通道AD8608。 U1D運算放大器的輸出為0.1 V至2.4 V，與ADC的輸入范圍（0 V至2.5 V）相匹配，同時提供100 mV的裕量以保持線性度。 電阻值和電容值可以修改，以適應(yīng)本電路筆記描述的其他傳感器范圍。 AD8608的最小額定輸出電壓為50 mV（2.7 V電源）和290 mV（5 V電源），負載電流為10 mA，溫度范圍為-40℃至+125°C。在3.3 V電源、負載電流低于1 mA、溫度范圍更窄的情況下，保守估計最小輸出電壓為45 mV至60 mV。 該電路設(shè)計支持單電源供電。 考慮到器件的容差，最小輸出電壓（范圍下限）設(shè)為100 mV，以提供安全裕量。 輸出范圍的上限設(shè)為2.4 V，以便為ADC輸入端的正擺幅提供100 mV的裕量。 因此，輸入運算放大器的標稱輸出電壓范圍為0.1 V至2.4 V。 本應(yīng)用中選用AD8608的原因是該器件具有低偏置電流（最大值1 pA）、低噪聲（最大值12 nV/√Hz）和低失調(diào)電壓（最大值65 μV）等特性。 在3.3V電源下，功耗僅為15.8 mW。 運算放大器的輸出級后接一個單極點RC濾波器(R6/C8)，用于降低帶外噪聲。 RC濾波器的截止頻率設(shè)為664 kHz。 選擇AD7091R 12位1 MSPS SAR ADC是因為其在3.3 V (1.2 mW)下的功耗超低，僅為349 μA，顯著低于當(dāng)前市場上競爭對手的任何ADC。 AD7091R還內(nèi)置一個2.5 V的基準電壓源，其典型漂移為±4.5 ppm/°C。輸入帶寬為7.5 MHz，且高速串行接口兼容SPI。 AD7091R采用小型10引腳MSOP封裝。 采用3.3V電源供電時，該電路的總功耗約為17 mW。 AD7091R需要50 MHz的串行時鐘(SCLK)，方能實現(xiàn)1 MSPS的采樣速率。在多數(shù)壓電傳感器應(yīng)用中，都可以使用較低的采樣速率。 對于本電路筆記中采用的測試數(shù)據(jù)，SCLK為30 MHz，采樣速率為300 kSPS。 數(shù)字SPI接口可以用12引腳且兼容PMOD的連接器（Digilent PMOD規(guī)格）連接到微處理器評估板。 電路設(shè)計 圖2所示電路將輸入電荷轉(zhuǎn)換成電壓，并將其電平轉(zhuǎn)換至ADC的輸入范圍（0.1 V至2.4 V）內(nèi)。 圖2. 電荷輸入信號調(diào)理電路 ? 壓電元件通常用于測量加速度和振動。 這里將壓電晶體與質(zhì)量塊m配合使用。當(dāng)質(zhì)量塊受到加速度a影響時，則質(zhì)量塊和壓電晶體上將產(chǎn)生慣性力F = m × a。 因此，該晶體會獲得電荷q = d × F，其中，d（單位為庫侖/牛頓，C/N）為晶體電荷對力的靈敏度。 因此，壓電加速度計的穩(wěn)定狀態(tài)電荷靈敏度Sa為Sa = Δq/Δa （單位為C × s2/m）。 注意，加速度可以用關(guān)系1 g = 9.81 m/s2轉(zhuǎn)換成g。 如果將加速度計與帶反饋電容C2的電荷放大器配合使用（如圖2所示），則C2上因電荷Δq而形成的電壓為ΔV = Δq/C2。 對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)電壓靈敏度為： 圖1中信號調(diào)理電路的第一級為電荷放大器（U1A和電容C2），其中，輸出電壓根據(jù)等式1而變化。該電路的輸出經(jīng)過轉(zhuǎn)換，以處理雙極性輸入信號（如振動測量）。 利用1.25 V的基準電壓源，該電路的零電平會轉(zhuǎn)換至ADC輸入范圍的中點。電荷放大器的輸出電壓為： 圖1中信號調(diào)理電路的第二級是一個同相放大器，其輸出電壓為： 電阻R3（陶瓷傳感器為100 MΩ至10 GΩ，晶體傳感器為10 GΩ至10 TΩ）為運算放大器提供直流反饋，并提供輸入偏置電流。 對于測得的最小頻率，該電阻必須盡量小，并決定著頻率輸入范圍的最低限值。 在低頻下，轉(zhuǎn)折頻率fCL約為： 將一個電阻R4（1 k?至10 k?）與運算放大器反相輸入端串聯(lián)，有助于提高穩(wěn)定性和限制意外高輸入電壓導(dǎo)致的輸入電流。 進一步提高R4會導(dǎo)致高頻響應(yīng)下降。 在高頻下，R4可以與傳感器的阻抗ZS相當(dāng)（1/ωCS，其中CS為壓電傳感器的電容）。 高頻條件下的轉(zhuǎn)折頻率fCH為： 利用等式1至等式5，可以算出具體應(yīng)用的電路參數(shù)（C2、R7、R8、fCL和fCH）。 例如，Kistler型8002K石英加速度計具有以下規(guī)格： 范圍: ±1000 g 靈敏度：1 pC/g 電容：90 pF（典型值） 頻率響應(yīng)：?1%, +5% ≈0 Hz至6000 Hz 絕緣電阻：大于1013Ω 對于VO1下的輸出電壓擺幅±1 V，可利用等式1計算C2。 對于0.1 V至2.4 V (1.25 V ± 1.15 V)的ADC輸入電壓擺幅，同相放大器的增益必須等于1.15，R7/R8比值 = 0.15。 如果選擇一個標準值電阻R7 =10 k?，則R8 = 66.67 k?。 選擇R3 = 100 MΩ并忽略運算放大器的輸入電阻和壓電傳感器的絕緣電阻。 低頻條件下的轉(zhuǎn)折頻率為（見等式4）： 選擇R4 =1 kΩ時，高頻條件下的轉(zhuǎn)折頻率為（見等式5）： 因此，保護電阻R4 = 1 kΩ不影響高通頻率響應(yīng)，因為傳感器的頻率響應(yīng)上限只有6 kHz。 從等式3，可得到信號調(diào)理電路的增益： 相對增益誤差為： 根據(jù)對數(shù)導(dǎo)數(shù)原理，得出： 對lnGAIN求導(dǎo)得到： 如果器件R7、R8和C2的容差為1%，則可估算出求和增益誤差。 最差條件下的相對增益誤差： 均方誤差（和方根誤差）： 從等式3，可得到信號調(diào)理電路的輸出失調(diào)為： 相對失調(diào)誤差為： 如果R1、R2和VREF的容差為1%，可以估算出求和失調(diào)誤差。 完成校準過程后，電阻容差、AD8608運算放大器的失調(diào)(75 μV)以及ADC AD7091R導(dǎo)致的誤差均消除。 依然有必要計算并驗證U1D運算放大器輸出在所需的范圍內(nèi)（0.1 V至2.4 V）。 電阻和基準電壓源溫度漂移導(dǎo)致的增益和失調(diào)誤差 利用等式7和等式9，可以算出元件溫度漂移導(dǎo)致的誤差。 例如，如果電阻溫度漂移為±100 ppm/°C，且基準電壓漂移為±25 ppm/°C，則在最差條件下，增益誤差小于±0.013%/°C，而失調(diào)誤差約為±0.01%/°C，這相當(dāng)于在±10°C的溫度變化范圍內(nèi)，總誤差小于±0.25%。 有源元件溫度系數(shù)對總誤差的影響? AD8608運算放大器(75 μV)和AD7091R ADC的直流失調(diào)由校準程序消除。 AD7091R內(nèi)置基準電壓源的失調(diào)漂移典型值為4.5 ppm/°C，最大值為25 ppm/°C AD8608運算放大器的失調(diào)漂移典型值為1.5 μV/°C，最大值為6 μV/°C。 注意，如果采用100 ppm/°C電阻，則總漂移的最大來源是電阻漂移，有源元件產(chǎn)生的漂移可忽略不計。 校準與測試 在將電荷放大器與傳感器連接之前，應(yīng)對其靈敏度進行測試，以便對系統(tǒng)增益進行校準。 圖3所示為一種不需要應(yīng)用任何機械負載（加速度、力、壓力等）的電子校準系統(tǒng)。 由與校準電容CCAL串聯(lián)的一個可調(diào)幅度和頻率低阻抗輸出電壓源來驅(qū)動電荷輸入。 該電壓源的輸出必須相對于電路板接地電壓保持浮動，以便能在1.25 V的HREF共模電壓下工作。 圖3. 校準電荷輸入信號調(diào)理電路 ? 輸入電荷量為Q = CCAL × VIN。 例如，一個幅度為1 V的輸入正弦波電壓和一個1 nF的校準電容可產(chǎn)生±1000 pC的峰值電荷輸入。 這可用來校準系統(tǒng)。 重要的是，CCAL要選用容差不大于1%的電容，以最大程度地減少誤差。 請注意，CCAL的容差會影響校準精度。 C2的容差決定輸出范圍，但C2的溫度變化會影響精度。 在此基礎(chǔ)上，可以利用外部仿真電容CSIM來檢查和調(diào)節(jié)電路。 檢查電路的另一種方式是使用CAL輸入和可調(diào)電壓源。 出于校準和仿真需要，可以在TP1和TP2之間并聯(lián)一個值和精度適當(dāng)?shù)耐獠侩娙輥砀碾娙軨CAL。 對于其他輸入范圍，則可在TP3和TP4之間并聯(lián)一個值和精度適當(dāng)?shù)耐獠侩娙輥砀碾娙軨2。 圖4所示為在1V 1 kHz正弦波輸入和CSIM = 1 nF條件下測得的ADC輸出。 因此，電荷輸入為±1000 pC。 圖4. ±1000 pC輸入電荷、1 kHz正弦波條件下的ADC輸出 ? 圖5所示為使用Loudity LD-BZPN-2312壓電傳感器時的實際輸出，其中，以一個正弦波振動約為120 Hz的揚聲器實現(xiàn)激勵。 該電路以1 V的峰值輸入正弦波電壓和CCAL = C2 = 10 nF進行校準。 圖5. LD-BZPN-2312壓電傳感器的實測輸出（以120 Hz正弦波版揚聲器實現(xiàn)激勵） ? 印刷電路板(PCB)布局考量 在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。 PCB必須盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。 該系統(tǒng)的PCB采用簡單的雙層板堆疊而成，但采用4層板可以得到更好的EMS性能。 有關(guān)布局和接地的詳細論述，請參見MT-031指南；有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請參見MT-101指南。 AD8608的電源必須用10 μF和0.1 μF電容去耦，以適當(dāng)?shù)匾种圃肼暡p小紋波。這些電容須盡可能靠近相應(yīng)器件，0.1 μF電容應(yīng)具有低ESR值。 對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。 電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。 用于調(diào)理壓電傳感器輸出的高阻抗電路需要注意電阻、絕緣（電介質(zhì)）和布線。 電荷放大器的低阻抗輸入電路可大幅減少布線問題，但對電阻、絕緣體和靜電計放大器布局的要求也適用于采用分立式元件構(gòu)建的電荷放大器。 建議在印刷電路板兩側(cè)的敏感輸入端周圍放置一個保護環(huán)，以最大限度地減少輸入漏電流。 保護環(huán)環(huán)繞在正端四周，并連接到基準（共模）電壓源HREF。 有關(guān)完整文檔包，包括原理圖、電路板布局和物料清單(BOM)，請參考：www.analog.com/CN0350-DesignSupport。 CN0350 12位、1 MSPS單電源雙芯片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于壓電傳感器 圖1所示電路是只采用了2個有源器件的12位、1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)用3.3 V單電源功能，能夠處理來自壓電傳感器的電荷輸入信號，在±10°C溫度范圍內(nèi)，其校準后總誤差小于0.25% FSR，是各種實驗室和工業(yè)測量的理想之選。 該電路的小巧尺寸使得該組合成為業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決方案，在這種系統(tǒng)中精度、速度、成本和尺寸極為關(guān)鍵。 圖1. 針對面向壓電傳感器的電荷輸入單電源電荷輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（未顯示所有連接和去耦） ? CN0350 CN0350 | circuit note and reference circuit info 12位、1 MSPS單電源雙芯片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于壓電傳感器 | Analog Devices 圖1所示電路是只采用了2個有源器件的12位、1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)用3.3 V單電源功能，能夠處理來自壓電傳感器的電荷輸入信號，在±10°C溫度范圍內(nèi)，其校準后總誤差小于0.25% FSR，是各種實驗室和工業(yè)測量的理想之選。

• 雙芯片壓電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
• 12位、1 MSPS ADC
• 單電源

(analog)