電路功能與優勢
　　本電路為高速、高精度、同步采樣模數轉換應用提供電流隔離，如圖1所示。16位PulSAR ADC AD7685 是一款多功能器件，支持通過菊花鏈監控多個通道。基于運算放大器 AD8615的輸入電路對±10 V工業信號進行電平轉換、衰減和緩沖，以滿足ADC的輸入要求。這個靈活的電路包括一個精密基準電壓源ADR391 和兩個四通道數字隔離器ADuM1402 ，以便為常見的工業數據采集應用提供緊湊且具成本效益的解決方案。
　
　　電流隔離、雙通道、16位、同步采樣、菊花鏈連接的數據采集系統 (CN0194)  圖1. 電流隔離的雙通道、同步采樣、16位、含菊花鏈連接的模數轉換系統（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

圖1. 電流隔離的雙通道、同步采樣、16位、含菊花鏈連接的模數轉換系統

（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接） 

放大 回到頂部電路描述
　　AD7685是一款16位、電荷再分配、逐次逼近型(SAR)模數轉換器(ADC)，采用2.3 V至5.5 V單電源(VDD)供電。它內置一個低功耗、高速、16位無失碼、無流水線延遲的采樣ADC、一個內部轉換時鐘和一個多功能串行接口端口，還集成了一個低噪聲、寬帶寬、短孔徑延遲的采樣保持電路。在CNV上升沿，它對IN+與IN-之間的模擬輸入電壓差進行采樣，范圍從0 V至VREF。基準電壓VREF由外部提供，范圍從0.5 V至VDD。圖1所示電路采用4.5 V基準電壓。
　
　　AD7685的功耗與采樣速率成線性比例關系。VDD = 5 V且采樣速率為250 kSPS時，最大功耗為15 mW。AD7685采用10引腳MSOP封裝或10引腳QFN(LFCSP)封裝，工作溫度范圍為−40°C至+85°C。SPI兼容串行接口還能夠利用SDI輸入，將幾個ADC以菊花鏈形式連結到單條三線式總線上，或提供一個可選的繁忙(BUSY)指示功能。它采用獨立的VIO電源引腳，與1.8V、2.5V、3V或5V邏輯兼容。
　
　　完整的模擬信號鏈采用5 V單電源供電。低壓差2.5 V基準電壓源ADR391和U13軌到軌CMOS運算放大器AD8615，產生ADC所用的4.5 V基準電壓。4.5 V基準電壓在U13的輸出端提供0.5 V裕量，因此，在5 V電源的標稱變化范圍內，運算放大器始終保持在線性區域內工作。ADR391 2.5 V輸出由U13的噪聲增益(1 + R4/R5)放大。對于所選的R4和R5值，噪聲增益為1.8，因此基準電壓為1.8 × 2.5 V = 4.5 V。
　
　　U4和U14運算放大器AD8615提供0.225的信號增益（由R1與R2和R19與R20的比值設置），將20 V p-p的輸入信號幅度降至ADC輸入端的4.5 V p-p。對于0 V輸入，U4和U14的輸出端需要2.25 V偏移，這就要求U4和U14同相輸入端的共模電壓為1.84 V，該電壓由電阻分壓器R3-R6產生。
　
U4和U14輸出端的R-C網絡（33 Ω、2.7 nF）形成一個帶寬為1.8 MHz的單極點噪聲濾波器。
　
　　AD8615是一款CMOS軌到軌輸入和輸出、單電源放大器，具有極低失調電壓、寬信號帶寬以及低輸入電壓和電流噪聲等特性。該器件采用DigiTrim®專利調整技術，無需激光調整便可達到出色的精度。AD8615采用2.7 V至5 V單電源供電。
　
　　20 MHz以上的帶寬、低失調、低噪聲和低輸入偏置電流特性的結合，使該放大器適合各種應用。濾波器、積分器、光電二極管放大器和高阻抗傳感器等器件均可受益于這些特性組合。寬帶寬和低失真特性則有益于交流應用。在DigiTrim系列中，AD8615提供最高的輸出驅動能力，是音頻線路驅動器和其它低阻抗應用的理想選擇。
　
　　該器件的具體應用包括：便攜式和低功耗儀器儀表、便攜式設備的音頻放大、便攜式電話耳機、條形碼掃描器以及多極點濾波器。它還具有軌到軌輸入與輸出擺幅能力，因而設計人員可以在單電源系統中緩沖CMOS ADC、DAC、ASIC及其它寬輸出擺幅器件。
　
　　ADR391是一款微功耗、低壓差基準電壓源，可利用僅比輸出電壓高出300 mV的電源提供穩定的輸出電壓。先進的設計無需外部電容，可進一步節省電路板空間、降低成本。ADR391精密基準電壓源具有低功耗、小尺寸和易于使用的特點，非常適合電池供電應用。該器件利用ADI公司的溫度漂移曲率校正專利技術，可在TSOT封裝中實現9 ppm/°C的低溫漂特性。
　
　　ADuM1402是一款采用ADI公司iCoupler®技術的四通道數字隔離器。該隔離器件將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術融為一體，具有優于光耦合器等替代器件的出色性能特征。
　
　　iCoupler 器件不用LED和光電二極管，因而不存在一般與光耦合器相關的設計困難。簡單的iCoupler數字接口和穩定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的電流傳輸比不確定、非線性傳遞函數以及溫度和使用壽命影響等問題。
　
　　這些iCoupler產品不需要外部驅動器和其它分立器件。此外，在信號數據速率相當的情況下，iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6。
　
　　ADuM1402隔離器提供四個獨立的隔離通道，支持2/2方向和最高達90 Mbps（C級）的多種數據速率（請參考數據手冊“訂購指南”部分）。所有型號均可采用2.7 V至5.5 V電源電壓工作，與低壓系統兼容，并且能夠跨越隔離柵實現電壓轉換功能。此外，ADuM1402具有低脈沖寬度失真（小于2 ns）和嚴格的通道間匹配（小于2 ns）特性。與其它光耦合器不同，ADuM1402隔離器具有已取得專利的刷新特性，可確保不存在輸入邏輯轉換時及缺少一個電源條件下的直流正確性。
　
　　圖1顯示AD7685如何通過菊花鏈連接起來，以減少需要隔離的信號數量。注意，RSCLK和RFS分別是AD7685串行時鐘(SCK)和串行幀同步(CNV)的回讀結果，這些回讀信號相對于DATA信號的偏斜必須非常短。該偏斜為數字隔離器的通道間匹配傳播延遲(tPSKCD)，對于ADuM1402C小于2 ns。因此，串行接口能夠以數字隔離器的最大速度工作（ADuM1402C為90 Mbps），對應于90 MHz的最大串行時鐘頻率。如果延遲過長，它可能要受到數字隔離器傳播延遲級聯的限制。本電路中，對于250 kSPS的采樣頻率，TSCLK頻率為30 MHz。
　
　　將兩個相位相差90°的±10 V信號施加于EVAL-CN0194-SDPZ板的兩個通道（AIN1和AIN2），利用隨附的評估軟件獲得轉換結果，如圖2所示。使用隨附的評估軟件還可以查看FFT數據（圖3），以及固定直流電平時的代碼直方圖（圖4）。
　
　　該電路或任何高速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、受控阻抗線路（如需要）、元件布局、信號布線以及電源層和接地層。（有關PCB布局的詳情，請參見教程 MT-031、 MT-101 和 高速印刷電路板布局實用指南一文。）
　
　　有關本電路筆記的完整設計支持包，請參閱 www.analog.com/zh/CN0194-DesignSupport。
　
　　電流隔離、雙通道、16位、同步采樣、菊花鏈連接的數據采集系統 (CN0194)  圖2. 兩個相位相差90°的獨立±10V輸入信號(AIN1、AIN2)的15,000個樣本，施加于EVAL-CN0194-SDPZ板（菊花鏈模式）的AIN1和AIN2，采樣速率250 kSPS

圖2. 兩個相位相差90°的獨立±10V輸入信號(AIN1、AIN2)的15,000個樣本，施加于EVAL-CN0194-SDPZ板（菊花鏈模式）的AIN1和AIN2，采樣速率250 kSPS 

　　放大 電流隔離、雙通道、16位、同步采樣、菊花鏈連接的數據采集系統 (CN0194)  圖3. Kaiser窗口（參數 = 20）、20 kHz輸入、250 kSPS采樣速率下的FFT

圖3. Kaiser窗口（參數 = 20）、20 kHz輸入、250 kSPS采樣速率下的FFT 

　　放大 電流隔離、雙通道、16位、同步采樣、菊花鏈連接的數據采集系統 (CN0194)  圖4. 一個直流輸入的直方圖（碼中心，390,000個樣本）

圖4. 一個直流輸入的直方圖（碼中心，390,000個樣本） 

放大 回到頂部常見變化
　　PulSAR系列的其它引腳兼容16位ADC提供更高的采樣速率： AD7686 (500 kSPS)、AD7980 (1 MSPS)和 AD7983 (1.33 MSPS)。如果需要18位分辨率，下列器件也是PulSAR系列的引腳兼容產品： AD7691 (250 kSPS)、 AD7690 (500 kSPS)、 AD7982 (1 MSPS)和 AD7984 (1.33 MSPS)。運算放大器 AD8615還提供雙通道( AD8616) 和四通道 ( AD8618) 版本。其它可用的驅動運算放大器包括 ADA4841-1（單通道）、 ADA4841-2（雙通道）和 ADA4941-1 （雙通道差分）。
　
回到頂部電路評估與測試
　　本電路使用EVAL-CN0194-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP)評估板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設置并評估電路性能。EVAL-CN0194-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN0194評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0194-SDPZ電路板獲取數據。
　
設備要求
　
　　帶USB端口和Windows® XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PC
　　EVAL-CN0194-SDPZ電路評估板
　　EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板
　　CN-0194評估軟件
　　電源：+6 V或+6 V壁式電源適配器
　　低失真信號源，如Audio Precision System Two 2322等
　　開始使用
　　將CN0194評估軟件光盤放進PC的光盤驅動器，加載評估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評估軟件光盤的驅動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。
　
功能框圖
　　電路框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見PDF文件“EVAL-CN0194-SDPZ-SCH”。此文件位于CN0194設計支持包中。
　
設置
　　EVAL-CN0194-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評估板上標有“CON A”的連接器。應使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電情況下，將一個+6 V電源連接到板上標有“+6V CFTL”和“+6 V SDP”的引腳。如果有+6 V壁式電源適配器，可以將它連接到板上的管式插孔連接器，代替+6 V電源。SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注：此時請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。
　
測試
　　為連接到EVAL-CN0194-SDPZ電路板的+6 V電源（或壁式電源適配器）通電。啟動評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器。如果設備管理器中列出了Analog Devices System Development Platform驅動器，軟件將能與SDP板通信。
　
　　一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發送、接收、捕捉來自EVAL-CN0194-SDPZ板的串行數據。
　
　　本電路筆記中的數據是利用Audio Precision System Two 2322信號源和GlobTek電源產生，信號源的頻率設置如圖中所示。
　
　　有關SDP板的信息，請訪問：www.analog.com/SDP。