高精度隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計與驗證

王林 羅興科 魏來 周天熠

摘 要：本文介紹了一種新型高精度隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有采集精度高、輸入量程自適應(yīng)能力強，易于小型化等優(yōu)點，本文詳細(xì)介紹了新型隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器CGF1211應(yīng)用電路的技術(shù)特點，工作原理和驗證手段。經(jīng)驗證，新型隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器在信息采集領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器；高精度；設(shè)計與驗證

1 隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介

傳統(tǒng)隔離放大器（如BB-3656、CGF0711）實現(xiàn)了輸入與輸出之間以及電源與輸入、輸出之間的電氣隔離，能在輸入、輸出之間有很高電位差的條件下工作，具有很高的隔離模抑制比。但因為輸入、輸出都是模擬信號，存在著諸如線性度較低、僅支持單路模擬輸入、外圍分立電子元器件多、生產(chǎn)調(diào)試復(fù)雜、用計算機(jī)進(jìn)行信號采集處理接口困難等缺點。

近年來，隨著國內(nèi)元器件廠家技術(shù)實力和制造水平的不斷提高，新型隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器的國產(chǎn)化進(jìn)程也在飛速發(fā)展。近年來，涌現(xiàn)出了一批性能較為出色的產(chǎn)品，CGF1211是其中的典型代表。CGF1211 是一款隔離型串行輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持4路-5V～+5V模擬輸入通道，快速逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換，12bit串行數(shù)據(jù)輸出?？蓪崿F(xiàn)輸入地、輸出地與電源地的三端隔離。該器件的主要優(yōu)點是：線性度高、實現(xiàn)多路并行轉(zhuǎn)換、測量精度高、隔離性能好、價格便宜等。

2 CGF1211電路設(shè)計原理

CGF1211作為一款新型隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用A/D轉(zhuǎn)換形式，保證很好的線性度。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字化串行輸出，減少器件引出線數(shù)量，且支持多路模擬通道輸入。具有數(shù)字化邏輯電平輸入/輸出，控制和數(shù)據(jù)讀出操作簡單方便。輸入、輸出和電源三端隔離，隔離效果好。CGF1211功能框圖如圖1所示。

圖1 CGF1211功能框圖

2.1 工作原理

首先輸入CONVST的上升沿，啟動A/D的逐次逼近過程。在轉(zhuǎn)換啟動后，在內(nèi)部時鐘的控制下，A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，最大轉(zhuǎn)換時間為6μs，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果可以通過串行口輸出。為了獲得最佳的性能，A/D要求在下一次CONVST的上升沿600 ns之前，結(jié)束A/D的串行讀操作。需要注意的是：A/D每次串行輸出的數(shù)據(jù)為16位，串行輸出數(shù)據(jù)位的順序為先輸出4位“0”，然后以高位在前，低位在后的次序輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換啟動信號控制器端口給出，該端口直接接到A/D的CONVST，從而啟動A/D轉(zhuǎn)換。由于A/D采用8腳封裝，引腳數(shù)量受到限制，故沒有指示轉(zhuǎn)換結(jié)束的狀態(tài)信號，這時可采用軟件延時的方法，保證在CONVST上升沿后6μs時開始進(jìn)行串行數(shù)據(jù)讀操作，還要用軟件保證下一次轉(zhuǎn)換在串行讀數(shù)據(jù)結(jié)束后600 ns才開始，以上為控制轉(zhuǎn)換及串行通信讀數(shù)據(jù)的時序。

表1 數(shù)字編碼規(guī)則

模擬輸入 轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字代碼

+FSR/2—1LSB 011┄┄110—011┄┄111

GND 111┄┄111—000┄┄000

-FSR/2+1LSB 100┄┄000—100┄┄001

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿量程范圍FSR=10V（-5V—+5V），12bit串行輸出數(shù)據(jù)是補碼形式，輸出數(shù)字量編碼規(guī)則如表1所示。

2.2 數(shù)字隔離傳輸部分

采用高速CMOS和單片空芯變壓器技術(shù)的數(shù)字隔離器芯片，相比于光耦器件，后者每個單元的驅(qū)動電流至少要5mA以上，而數(shù)字隔離器4個單元的耗電≤2.8mA，工作溫度范圍-40℃～+105℃，最大數(shù)據(jù)速率1Mbps，最大傳輸延遲時間100nS，邏輯高、低電平輸入輸出，隔離電壓可達(dá)2kV，隔離效果好。

2.3 多片并聯(lián)采集技術(shù)

CGF1211還設(shè)置了片選端CS，CS=0 串行數(shù)據(jù)輸出端SDATA為高阻狀態(tài)，CS=1，該器件被選中，可從串行數(shù)據(jù)輸出端SDATA讀出數(shù)據(jù)。使用中可多片并接控制，多片輸出端SDATA并接分時讀出，配合CGF1212隔離電源芯片，輸出2組互相隔離的+5V、+6.5V、-6.5V電壓，對多塊CGF1211提供隔離工作電源，可以將多塊CGF1211并聯(lián)運行，工作原理圖見圖2，提高了測量的集成度，降低了系統(tǒng)使用成本。

圖2 多片CGF1211并聯(lián)工作原理圖

3 CGF1211在信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

為驗證新型隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能水平，我們設(shè)計了如下驗證平臺，總體架構(gòu)如圖3所示：

圖3 新型模擬信號隔離采集設(shè)計架構(gòu)圖

為了實現(xiàn)數(shù)字化的隔離采集輸出，首先要在輸入端實現(xiàn)預(yù)處理。后端采用了自適應(yīng)處理技術(shù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化、智能化。自適應(yīng)處理的硬件部分選用AT89C51單片機(jī)作為運算處理單元，在保證實用性的同時提高數(shù)據(jù)的處理精度[1]。

經(jīng)測試，隔離型串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器CGF1211可以實現(xiàn)高速、高精度、多路并行模擬信號處理。與傳統(tǒng)芯片相比，CGF1211存在著如下優(yōu)勢：

1）采樣精度達(dá)到12bit。

2）線性度好，滿量程誤差≤2LSB。

3）提供多路模擬通道輸入，降低了使用成本。

4）使用電子元件集成度高，生產(chǎn)調(diào)試方便。

5）分立電子元器件數(shù)量很少，提高了可靠性。

6）可多片并接控制，多片輸出端SDATA并接分時讀出。

4 結(jié)論

新型隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器放大器具有采集精度高、輸入量程自適應(yīng)能力強，易于小型化等的優(yōu)點。本文對新型隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器CGF1211的設(shè)計原理、功能及應(yīng)用驗證中的相關(guān)問題進(jìn)行了深入研討。經(jīng)驗證，作為模擬信號采集領(lǐng)域的前沿技術(shù)，提高了采集精度、集成度水平，降低了使用成本，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益良好。

參考文獻(xiàn)

[1]陳玲等.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD7893及與89C51的接口[J].應(yīng)用科技，2002，29（10）：14-15.