图1中的电路是一个完全隔离、鲁棒、4通道数据采集系统，提供16位、无噪声代码分辨率和高达42 kSPS的自动通道开关速率。 由于在多路复用信号链上选择了独特的快速建立时间元件，因而42 kSPS开关速率下的通道间串扰低于15 ppm FS（低于−90 dB）。

该电路获取并数字化标准工业信号电平，包括：±5 V、±10 V、0 V至10 V和0 mA至20 mA。 输入缓冲器还提供过压保护，从而消除了传统肖特基二极管保护电路的相关漏电流误差。

本电路的应用包括过程控制（PLC/DCS模块）、电池测试、科学多通道仪器和色谱仪。

图1. 4通道数据采集系统功能框图（原理示意图： 未显示所有连接和去耦）

信号路径

采用 ADA4096-4缓冲4个输入信号通道；该器件是一款四通道轨到轨输入/输出运算放大器，针对高于或低于±15 V供电轨达32 V的输入，具有防止发生反相或闩锁的过压保护功能， 因而无需额外的过压保护电路。

T输入针对±10 V典型低频工业信号设计。输入缓冲器为信号源提供高阻抗，并将输入与多路复用器开关瞬态隔离。

缓冲器输入端的RC网络(10 Ω/10 nF)带宽为1.6 MHz，具有高频噪声滤波功能。


ADA4096-4输出端的RC网络(47 Ω/47 nF)可将缓冲器与多路复用器开关瞬态隔离。 图2显示等效电路。 输入电压必须对漏极电容CD充电，才能切换至下一通道。 通道间电压可高达 20 V，且多路复用器切换至下一通道时可产生瞬态电流。  


图2. RC反冲隔离电路

ADG1204多路复用器具有低漏极电容(<4 pF)，可最大程度减少反冲电荷。

采用 ADA4898-1运算放大器缓冲多路复用器输出，以防载入开关导通电阻产生的误差。 ADA4898-1是一个单位增益稳定的器件，可在不到85 ns时间内建立至0.1%，输入电压噪声仅为 0.9 nV/√Hz。 缓冲器在最差情况下的输入信号为±10 V、21 kHz方波信号；此时，两个邻道的输入端分别具有满量程正电压和满量程负电压。

ADA4898-1输入端的RC网络(1.8 kΩ/68 pF)带宽为1.3 MHz，可用作宽带噪声滤波器。该滤波器的时间常数为122 ns，16位建立时间约为1.34 μs（约11个时间常数）。

ADA4898-1缓冲器输出驱动 AD8475精密差分漏斗放大器；后者可将双极性、单端±10 V信号转化为±4 V差分信号并以2.5 V共模电压为中心。 AD8475集成经过调整和匹配的精密电阻， 其增益配置为0.4×，可接受±12.5 V输入，并采用5 V单电源供电。 共模电压由 AD7176-2 ADC的REFOUT引脚(2.5 V)提供。

AD7176-2差分输入范围由 ADR4550 5 V基准电压源设为±5 V。

AD7176-2可同时用作ADC和多路复用器控制器。使能MUX_IO位可导致AD7176-2的GPIO引脚与ADC通道序列和转换的同步切换；因此，通道的改变与ADC同步，无需任何外部同步。 GPIO引脚能为数字接口节省两条原本控制多路复用器所需的控制线。

通过AD7176-2可配置0 μs至1 ms可编程转换延迟。 转换延迟是每次通道发生变化（由GPIO位控制）与转换开始之间的延迟。 延迟调节允许多路复用器和调理电路具有额外的建立 时间。

信号路径上的所有元件均针对兼容42 kSPS通道开关速率的最小总建立时间而选择。 因此，电路具有低于−90 dB满量程信号的通道间低频串扰性能。

通道开关和转换开始之间可插入一个可编程转换延迟，从而在需要进一步优化的场合允许电路以最大建立时间驱动ADC。

数字隔离和isoPower

ADUM3471是一个四通道数字隔离器，集成脉冲宽度调制(PWM)控制器和低阻抗变压器驱动器（X1和X2）。 隔离式DC-DC转换器仅需一个变压器（Coilcraft KA4976-AL，1:5匝数比， 64 μH初级电感）和一个简单全波肖特基二极管整流器（四个SD103AW-7-F二极管）。 采用5 V或3.3 V输入电源时，电源电路最高可提供2 W调节隔离功率，因而无需另外使用隔离 式DC-DC转换器。

iCoupler®芯片级变压器技术用于隔离逻辑信号；集成的变压器驱动器带隔离副边控制功能，可以提高隔离式DC-DC转换器的效率。 内部振荡器频率可以在200 kHz至1 MHz范围内调 节，由连接OC引脚的电阻值决定。 当该电阻等于100 kΩ时，开关频率为500 kHz。

ADuM3471调节来自正电源。用于调节的反馈来自分压器网络；该分压器网络根据以下要求选择：当输出电压为16.76 V时，反馈电压为1.25 V。反馈电压与ADuM3471的1.25 V内部反 馈设定点电压相比较。调节通过改变驱动外部变压器PWM信号的占空比来实现。

ADP7102 LDO调节器可将16.76 V输出电压向下调节至15 V。来自变压器的未调节负整流电压约为−21 V。 ADP7182负调节器用来提供−15 V调节电压。然后，±15 V调节电压用来为高 压元器件供电（ ADA4096-4、 ADG1204和 ADA4898-1）。

性能测量

无噪声码分辨率

通道输入短路至GND时，电路测量的17位无噪声码分辨率如图3所示。


图3. 42 kSPS开关速率下的噪声和分辨率
 
在通道之间进行多路复用时的建立时间

9.6 V信号源（电池组）连接系统用作通道1和通道3的输入。−9.6 V信号源连接通道2和通道4。 .

多路复用器可手动设为通道1，方法是将GPIO位设为00；然后便可得到1000个样本的直方图，如图4所示。无噪声码分辨率优于16位。



图4. 单通道9.6 V转换直方图
 
然后，使能多路复用器（42 kSPS，4 µs延迟），获取通道1的1000个样本直方图，如图5所示。 无噪声码分辨率优于16位。

图5. 42 kSPS时多路复用器在+9.6 V和−9.6 V之间切换的通道1转换直方图（4 µs转换延迟）;
 
每种配置均可获得优于16位的无噪声码分辨率；在通道之间进行多路复用时，失调平均值略有漂移，如图6所示。 42 kSPS时漂移约为300 µV（15 ppm FS，或16位时1 LSB），并且 可通过加入更多转换延迟而降低（在AD7176-2的ADC模式寄存器中配置），因此允许转换以前具有更多建立时间。

图6. 带与不带多路复用时的通道1转换直方图
 
积分非线性

使用Fluke 5700多功能校准仪和Agilent 3458万用表，能在−11 V至+11 V范围内对积分非线性(INL)以1 V步进进行测量。

测量结果如图7所示；图中的端点线性度误差校准至零。


AD7176-2的典型INL规格为±3 ppm FS。板上的其他器件同样会产生非线性，但并非所有非线性都在同样的电压下达到峰值；因此，可得到一个U型曲线，如图7所示。 . 

4 mA至20 mA输入配置

通过499 Ω电阻将电压输入接地，电路可用作4通道、0 mA至20 mA单端输入。 由于满量程信号约为ADC范围的一半，系统的动态范围降低1位。 通过外部适当连接J2连接器，可将输入重新配置为电流输入。


例如，若通道1工作在电压模式下，则电压施加在J2端点1，而端点3接地。若工作在电流模式下，则电流施加在端点1和端点2，而端点3接地。


表2. 用于电压和电流输入选项的J2连接

输入	电压模式输入端点	电流模式输入端点
通道 1	1, 3 (GND)	1 和 2, 3 (GND)
通道 2	4, 6 (GND)	4 和 5, 6 (GND)
通道 3	7, 9 (GND)	7 和 8, 9 (GND)
通道4	10, 12 (GND)	10 和 11, 12 (GND)

±5 V输入配置

设备要求

需要使用以下设备: 

• EVAL-CN0292-SDZ 评估板 
• EVAL-SDP-CB1Z 系统演示平台 
• CN-0292评估软件
• 5 V/1 A直流电源，或壁式电源适配器  
• 精密直流电压源(Fluke 5700)  
• 数字万用表(Agilent 3458)  
• 低噪声、精密电压源（建议使用电池组）  
• 带USB端口的PC，运行Windows® XP (SP2)、Windows Vista或Windows 7（32位或64位）  

软件安装

完整的软件用户指南可参见 CN-0292用户指南.


CN-0292评估套件要求使用自安装软件，下载地址为： ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0292/。该软件兼容Windows XP (SP2)、Windows Vista和Windows 7（32位或64位）。 如果安装文件未自动运行，请运行setup.exe文件。

请先安装评估软件，再将评估板和SDP板连接到PC的USB端口，确保PC能够正确识别评估系统。

完成评估软件安装后，将 EVAL-SDP-CB1Z（通过连接器A或连接器B）连接到EVAL-CN0292-SDZ，然后利用附送的电缆将 EVAL-SDP-CB1Z连接到PC的USB端口。

检测到评估系统后，确认出现的所有对话框，完成安装。  

设置与测试

图8显示测试设置的功能框图 

图8. 测试设置功能框图  

为测试该电路，需要如下硬件设备: 

• 将EVAL-CN0292-SDZ板上的所有链路设为默认的位置A（这样可将板配置为通过isoPower®和LDO并采用±15 V和5 V电源上电）。  
• 利用连接J14的5 V/1 A直流电源为板上电（参见图10）。  
• 通过J2连接器上的V4将±10 V单端信号连接到V1。  

为获得最优性能，建议采用下列ADC软件配置:

中文技术论坛