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連接/參考器件
AD7176-2 24位、250 kSPS Σ-Δ型ADC，建立時間20 μs
AD8475 精密、可選增益、全差分漏斗放大器
ADR445 5 V超低噪聲LDO XFET基準電壓源
評估和設計支持
電路評估板
AD7176-2電路評估板（EVAL-AD7176-2SDZ）
系統演示平臺（EVAL-SDP-CB1Z）
設計和集成文件
原理圖、布局文件、物料清單
電路功能與優勢
對工業電平信號進行采樣時，必須提供快速高分辨率轉換信息。通常，當采樣速率達到500 kSPS時，模數轉換器（ADC）具有的最高分辨率為14位至18位。圖1所示電路是一款單電源系統，針對工業電平信號采樣進行優化，集成一個24位、 250 kSPS Σ-Δ型ADC.兩個差分通道或四個偽差分通道中的每一個都能夠以17.2位無噪聲代碼分辨率、最高50 kSPS的速率對其進行掃描。
本電路利用創新型差分放大器和內置激光調整電阻執行衰減和電平轉換，通過具有低電源電壓的精密ADC可以解決獲取±5 V、±10 V和0 V至10 V的標準工業電平信號并進行數字化處理的問題。本電路的應用包括過程控制（PLC/DCS模塊）、醫療以及科學多通道儀器和色譜儀。
圖1. 工業信號用高精度、24位ADC驅動器（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）
電路描述
工業電平信號施加于AD8475精密差分漏斗放大器上，該器件可將輸入信號衰減0.8倍或0.4倍。它集成經過調整并匹配的精密電阻，用來控制衰減。當AD8475使用5 V單電源并且增益設置為0.4時，此電阻支持最高±12.5 V的單端或差分輸入。器件提供最高±15 V的輸入過壓保護。
當輸入信號（增益為0.4）處于±10 V單端或差分輸入范圍內時，AD8475和AD7176-2器件組合能夠保持線性度，如圖4中的測量INL限值所示；圖中，測量端點分別為？10 V和+10 V.此時，AD8475的輸出擺幅介于0.5 V和4.5 V之間。
通過對VOCM引腳施加所需的共模電壓，便可設置共模輸出。圖1所示電路中，通過將AD7176-2 ADC的2.5 V REFOUT電壓施加于AD8475的VOCM引腳，完成共模電壓的設置。
AD8475提供衰減和電平轉換，以便驅動AD7176-2的采樣電容輸入；功耗僅為3.2 mA.
AD8475放大器的輸出連接到RC濾波器網絡，可提供差分和共模噪聲濾波以及AD7176-2輸入采樣電容所需的動態充電。該網絡還可隔離放大器輸出，使其不受動態開關電容輸入的反沖影響。共模帶寬（RIN、C1）為59 MHz.差模帶寬（2 × RIN、0.5C1 + C3）為9.8 MHz
還可設置AD8475，使其接受單端信號。將-IN 0.4×輸入接地，并對+IN 0.4×輸入施加單端信號。
AD7176-2 24位、Σ-Δ ADC對AD8475的輸出進行采樣，并轉換為數字輸出。轉換速率和數字濾波器特性可針對5 SPS至250 kSPS的輸出數據速率進行調節。
AD7176-2可配置為兩個全差分輸入或四個偽差分輸入。ADC支持最高50 kSPS的通道掃描速率。AD7176-2的無噪聲位性能為17.2位（250 kSPS）；20.8位（1 kSPS）；以及21.7位（50 SPS）。
圖2表示輸入接地時的總系統有效均方根噪聲。數據速率為250 kSPS時，有效均方根噪聲約為30 μV rms.請注意，滿量程時，本電路的線性度在±10 V輸入下達到最佳狀態，計算時滿量程輸入設為20 V p-p.
圖2. 均方根輸出噪聲與輸出數據速率的關系
有效分辨率以位數表示，折合到20 V滿量程輸入范圍的計算公式為：
有效分辨率 = log2（FSR/均方根噪聲）
有效分辨率 = log2（20 V/30 μV） = 19.3位
圖3. 有效分辨率（均方根位數）與輸出數據速率的關系
先將均方根噪聲轉換為峰峰值噪聲近似值（均方根噪聲乘以系數6.6），有效分辨率便可轉換為無噪聲代碼分辨率。計算結果約為2.7位，隨后將其從有效分辨率中扣除，以得到無噪聲代碼分辨率。如本例所示，經計算后，19.3位有效分辨率相當于16.6位無噪聲代碼分辨率。這一結果與AD7176-2在無緩沖短路輸入情況下，輸出數據速率為250 kSPS時的17.2位無噪聲位規格相比，大約有0.3位的差異。這是由于本例僅采用±10 V作為滿量程范圍，而非±12.5 V的最大值。
圖4顯示采用端點法獲得的系統積分非線性，用滿量程（FSR）的ppm表示。
圖4. 積分非線性（INL，以FSR的ppm表示）與輸入電壓的關系
雖然本電路主要設計用于處理直流輸入，但它也能轉換低頻交流輸入。其失真性能隨模擬輸入幅度的變化而改變。圖5和圖6分別顯示-1 dBFS和-6 dBFS以及1 kHz正弦波情況下的性能。由Audio Precision 2700系列音頻源產生的正弦波直接輸入AD8475.
圖5. AD8475至AD7176-2的FFT性能（1 kHz、-1 dBFS輸入音、16384點FFT）
圖6. AD8475至AD7176-2的FFT性能（1 kHz、-6 dBFS輸入音、16384點FFT）
若要獲得最佳的高分辨率系統性能，則出色的印刷電路板（PCB）布局、接地以及去耦技巧是必不可少的。詳細信息，請參考指南MT-031、指南MT-101、AD8475數據手冊及AD7176-2數據手冊。欲查看完整原理圖和印刷電路板的布局，請參見CN-0310設計支持包。
常見變化
圖1所示電路中，AD8475所選增益為0.4.若選擇了0.8增益，則滿量程范圍將從±10 V下降到±5 V，導致靈敏度翻倍。
使用額外AD8475器件的第二條通道可連接AD7176-2的AN0/AN1引腳。
ADR445基準電壓源可替換為具有300 mV壓差的ADR4550基準電壓源。
電路評估與測試
設備要求
需要使用以下設備：
EVAL-AD7176-2SDZ評估板和軟件
系統演示平臺（EVAL-SDP-CB1Z）
精密直流電壓源
Audio Precision 2700系列（交流輸入）
PC（Windows 32位或64位）
7 V至9 V直流電源或壁式電源
軟件安裝
AD7176-2評估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP （SP2）、Windows Vista和Windows 7（32位或64位）。如果安裝文件未自動運行，可以運行光盤中的setup.exe文件。
請先安裝評估軟件，再將評估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識別評估系統。
完成光盤安裝后，將EVAL-SDP-CB1Z（通過連接器A或連接器B）連接到EVAL-AD7176-2SDZ，然后利用附送的電纜將EVAL-SDP-CB1Z連接到PC的USB端口。
檢測到評估系統后，確認出現的所有對話框。這樣就完成了安裝。
設置與測試
有關使用軟件和運行測試的完整詳細信息，請參考UG-478用戶指南。
圖7顯示測試設置的功能框圖。
若要測試圖1中的電路，硬件需要經過下文所述的微小改變：
信號從位于J8端子板上的A2和A3輸入端輸入到AD8475.
改變連接到位置C的SL9和SL10焊點，可將來自J8的A2和A3信號路由至AD8475輸入端。
安裝10 Ω （0603）阻值的R64和R74，將AD8475輸出連接至AD7176-2的AIN2和AIN3引腳。
移除板卡底部的R110和R120電阻（如UG-478用戶指南中所示）。
圖7. 測試設置功能框圖
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