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亚德诺半导体(中国)有限公司

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亚德诺新闻
新推出的同步SAR模数转换器的片内校准优势(一)
发布时间:2022-06-02        浏览次数:111        返回列表
 

摘要

本文评估在电阻模数转换器(ADC)前面的外部电阻的影响。这些系列的同步采样ADC包括一个高输入阻抗电阻可编程增益放大器(PGA),用于驱动ADC和缩放输入信号,允许直接连接传感器。但是,有几个原因导致在设计期间,我们最终会在模拟输入前面增加外部电阻。以下部分从理论上解释预期的增益误差,该误差与电阻大小呈函数关系,且介绍最小化这些误差的几种方式。本文还研究电阻公差和不同的校准选项对ADC输入阻抗的影响。除理论研究之外,还使用试验台测量和比较几种设备,以证明片内增益校准功能能实现出色精度。增益校准功能使广泛前端电阻值的系统误差低于0.05%,无需执行任何校准例程,只需对每个通道的单个寄存器执行写操作即可。

 

简介

传统上,同步采样逐次逼近寄存器(SAR) ADC被视为是对主要由能源客户提出的提供保护继电器应用的需求的响应。在输配电网络中,保护继电器监测电网,以尽快对任何故障情况(过压或过流)作出反应,避免造成严重损坏。

为了监测传输的电源,需要同步测量电流和电压。电流是通过变压器(CT)来测量的,在通过变压器后,电流减小,提供隔离,并通过负载电阻转换为电压。电压是通过电阻网络来测量的,这是一个分压器,它将电压从kV范围降至V范围。ADI公司提供同步采样ADC来监测电压和电流,以简化双器件、四器件或八器件的功率计算。图1所示的信号链原理图通常用于测量单相,多相电力系统的功率需要使用通道数量更高的数据采集系统(DAS),即8个通道对应3个相位和1个中性相位。

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1.电源监控应用中的典型信号链。为简洁起见仅显示一个相位

 

 

何时使用外部前端电阻

虽然电阻输入ADC被设计成直接与大多数传感器连接,但在某些情况下,可能需要在模拟输入前面增加外部电阻。例如,如果应用需要额外的抗混叠滤波,或需要保护输入不受过流故障影响,就可能出现上述这种情况。

 

抗混叠滤波器

尽管电阻输入ADC通常提供一个内部抗混叠滤波器,但许多应用可能以较低的采样频率运行,因此,需要较低的转折频率。

一个常见的要求是:在每个工频周期采集256个样本,也就是说,对于50 Hz电网系统,采样频率(fS)为12.8 kSPS。

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采样频率如此之低,所以需要在电阻ADC的输入前面增加一个外部低通滤波器(LPF),用于抑制高于6.4 kHz的频率,即奈奎斯特频率(fS/2)。这可以通过增加一个一阶RC滤波器来实现。

 

输入保护

在其他应用示例中,特别是在保护继电器市场中,在故障发生时,过电流可能会流入模拟输入引脚。为免损坏器件,最大额定值(AMR)指示须将输入电流限制在10 mA以下。我们建议使用一个外部串联电阻来限制这种潜在的输入电流。

如果传感器输出电压意外增大到±30 V,输入箝位保护电路(可以传输高达±16.5 V的电压)将开启并传输大量电流,从而损坏该器件。在模拟输入前面使用一个1.35 kΩ RFILTER,如此,在过应力期间,可以防止高于10 mA的电流流动;但是,我们建议使用更大的电阻(例如10 kΩ)来防止频段达到最大限值。

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2.AD7606输入箝位保护特性

在任何情况下,必须使用公式2中计算的大电阻(适用于抗混叠滤波器(AAF)或限流)中的一个来确保满足两种条件。但是,请注意,如果在故障状态下模拟输入信号的潜在过应力低于±21 V,且无需使用外部AAF,则可能无需使用外部电阻。

 

外部电阻导致的误差

引入此类外部电阻的缺点是,无论是用于额外滤波,还是用于保护器件免受大电流的影响,它们都会影响系统的精度。例如,AD7606经过工厂调试,可以在整个温度和电源范围内提供极低的偏置和增益误差,分别为最大32 LSB[1]和6 LSB。但是,在增加外部无源器件之后,这些规格不再有效,因为系统增益误差(系统将其视为电阻输入ADC+前面的电阻)会增大到大于AD7606的增益误差。系统设计师很关注这种系统增益误差,因为这意味着他们必须自己执行系统增益校准,才能保证他们的最终产品能够达到标准或最终用户所要求的目标精度。我们可以使用两种方法执行系统增益校准: 

               在生产中执行增益校准,也就是说,生产的每个系统均需通过校准程序测试,存储校准系数,然后使用这些系数来消除增益误差。这与ADC在IC层面执行的操作相似,但是是在系统层面。

               对每个ADC样本使用固定的校正因子。因为下一节给出的分析很详细地讲解了系统增益误差,所以数字主机控制器会使用消除系统增益误差的因子来乘以从ADC中获取的每个样本。后文称之为后端校准。

使用种解决方案可以实现出色精度,但需要很长时间进行出厂测试,这会大大增加产品的成本。第二种解决方案虽然更便宜,但不那么精准,因为它是基于ADC的典型输入阻抗,且使用控制器资源,在有些情况下,会受到限制。有时候,为了避免这两种复杂情况,客户可能会选择使用一个很大的输入阻抗,在这种情况下,前端电阻导致的误差会降低,使得系统精度随之提高。通过使用这种方法,问题从系统问题转变为IC问题。但是,这可能不是最有效的方法,因为增加输入阻抗意味着必须开发新的解决方案,这需要时间,且会导致产生新的问题,例如会因这些更大的片内电阻导致更高的噪声。AD7606BAD7606C具有片内增益校准功能,可以消除外部电阻导致的系统增益误差,在不经校准的情况下实现出色精度,避免增加系统解决方案的成本。

 

增益误差

PGA的增益取决于反馈电阻(RFB),它可以编程设置模拟输入范围和输入阻抗(RIN),这个值是固定的,典型值为1 MΩ。这些电阻经过调整,可以正确设置PGA增益,将±10 V或±5 V的模拟输入信号(AIN+/-)缩放到ADC输入范围,即±4.4 V,如图3所示。

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3.AD7606内部PGA。仅以±10 V范围为例

但是,在PGA前面增加一个串联电阻(我们将其称为RFILTER)时,增益会改变(偏离理想值)。这个电阻实际上是改变了公式3中的分母;所以,系统增益会低于其调整增益。
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4.AD7606的模拟输入(VX+VX-)前面的串联电阻会改变系统增益

 

例如,如果在AD7606前面使用一个30 kΩ电阻,那么10 V输入信号在到达ADC输出端时,将不再是10 V信号,因为AD7606的PGA输出也不再是4.4 V。PGA输出将为4.2718 V,如果我们绘图表示这个新理论系统增益转换函数,则可以看出,增益误差为约–3%,具体如图5所示。

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5.PGA输出的幅度随RFILTER的增大而减小。

(a) 显示PGA输出(单位:V,(b) 显示PGA输出电压(FS的百分比)。

我们可以使用以下公式计算增益误差(RFILTER的函数):

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为了便于评估,我们可以通过图表来表示公式5,作为系统增益误差,显示与满量程(FS)之间的%和与RFILTER之间的关系,如图6所示。

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6.系统增益误差(FS%),与AD7606中的外部RFILTER电阻(1 MΩ输入阻抗)呈函数关系

 

AD7606B/AD7606C

在AD7606B项目开发期间,指定的三款产品的输入阻抗和分辨率如表1所示。

 

表1.AD7606B项目类型、典型的输入阻抗和分辨率

类别

典型输入阻抗

分辨率

AD7606B

5 MΩ

16位

AD7606C-16

1.2 MΩ

16位

AD7606C-18

1.2 MΩ

16位

 

在任何一种情况下,无论RIN是5 MΩ或1.2 MΩ,串联电阻(RFILTER)越大,系统增益越低,也就是说,增益误差越大。但是,RIN越大,RFILTER造成的影响越小,如公式5所示。理论上,对于高达50 kΩ的电阻,系统增益误差从几乎5%降低到1%。

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7.因为输入阻抗更高(5 MΩ),所以AD7606BPGA输出幅度受外部RFILTER的影响更小

图8中5 MΩ和1 MΩ输入阻抗器件的对比显示了电阻对系统增益误差的影响。

 379615-fig-08

8.基于输入阻抗(RIN)的系统增益误差(FS%)比较

在某些应用中,这种增益误差是可以接受的。误差如此之低,便无需如以前一样执行系统校准,这是在设计PGA时采用更高的输入阻抗所要达成的目标。但是,在其他一些应用中,1%的系统增益误差仍然可能超过行业标准或客户要求,所以仍然需要进行校准。

 

后端校准与片内校准

传统校准一般发生在系统出厂测试期间。该流程旨在:

►               连接零电平(ZS)输入,测量失调误差。

►               消除这种失调。

►               连接满量程(FS)输入,测量增益误差。

►               消除增益误差。

但是,在这种情况下,因为可以通过公式5清楚了解该系统增益误差,所以可以通过对数据实施后期处理,从控制器这一端轻松消除这种误差,也就是说,增加一个校准因子(K)来恢复公式4中引入的误差,使得得出的系统增益在经过校准之后,变得与公式3中定义的理想增益类似。

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我们将这种方法称为后端增益校准,它有两大缺点:

►               它会消耗控制器端(微控制器/DSP/FPGA)的资源。

►               它假设RIN为其典型值,而这些电阻具有15%的公差,所以因器件而异。

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9.后端校准模块。假设RIN的典型值,且已知外部电阻值RFILTER,对主机控制器执行校准

将RIN值从最小值增加到最大值,但保持校准因子(K)不变,从公式6和图10可以看出,校准精度如何随内部电阻公差变化,对于用户来说,这是无法预测的。

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