Σ-Δ模数转换器AD7708输入隔离电路设计
胜利油田技术检测中心能源站
冯国栋 上海交通大学 电子信息学院 孙东 施文康 邓勇
核心器件: AD7708
AD7708是一种多通道16位Σ-Δ模数转换器ADC。它支持4或5通道真正差分输入以及8或10信道伪差分输入。这种芯片允许两路信号同时转换，从而提高了多路转换应用中的吞吐率。其片内还包括可切换的电流源、低端电源开关和一个温度传感器。该ADC在3V电源供电时，在正常工作方式下，功耗电流为 2mA；在待机方式下，功耗电流小于10μA。AD7708适合宽动态范围和低频应用的低成本、低功耗和性能完整的模拟前端解决方案，并且能对传感器的输出信号直接进行模数转换，而无需信号调理。输入通道可以编程设置为8档量程从20mV到2.56V；输入信号可以被设置为缓冲方式，在缓冲方式下能消除大的源阻抗的影响并通过一个RC滤波器对噪声进行滤波和衰减RFI；所有的输入信号都可以直接接入而不需要其他的信号放大环节进行调理，使其更适用于宽动态范围和低频信号的测量，如温度、应力、压力传感器等信号。得益于这种新型ADC的具体应用包括医用电子仪器、工业过程控制、便携式仪器、压力传感器、智能变送器、称重、温度测量和数据采集设备。在实际的抗干扰应用中，合理设计前端的隔离电路具有重要应用。
AD7708输入隔离电路设计
隔离电路的设计主要出于两种考虑：第一，保护被测电路和测试电路，使其不至于因测试电路或被测电路的故障而影响整个系统的工作。第二，减小环境噪声对测试电路的影响。为保护后级设备、保证测量结果的有效性，测试电路与被测电路必须做到严格的电气隔离，隔离电路应具有较高的精度。电路的成本和体积也要符合工程需要。TI公司的精密线性光耦TIL300是隔离器件的新产品。我们采用该器件和Burr－Brown公司的高隔离DC－DC芯片DCP0105完成了模拟量的隔离电路。
TIL300是一个由红外光LED照射分叉配置的隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成。该器件采用特殊制造技术来补偿LED时间和温度特性的非线性，使输出信号与LED发出的伺服光通量成线性比例。TIL300的外围配置电路如图1所示。
实际电路如图2。隔离电路中，R1调节初级运放输入偏置电流的大小，C3起反馈作用，同时滤除电路中的毛刺信号，避免TIL300的红外光LED受到意外的冲击。但是随着频率的提高，其阻抗将变小，TIL300的初级电流增大，增益随之变大，因而C3的引入对通道在高频时的通道增益有一定影响。虽然减小C3 的值可以拓展带宽，但是这样会影响初级运放的增益，同时，初级运放输出的较大毛刺信号不易被滤除。在我们应用系统中被测信号频率远低于300kHz，取 C3为4.7μF，其容抗不小于0.012。这时，设计带宽B≈1/R3 MHz。R3可以控制LED的发光强度，从而对控制通道增益起了一定作用。R2用于调节输出运放负反馈的深度。
由此可见，在C3已确定时，调整R1、R2、R3的值，可以在一定带宽下调整通道增益。对于被测量较小的系统，R1、R2应取得稍小些，这样在保证小信号测试精度的同时，可使通道增益基本不变。此外可以通过改变R4来实现一定范围内的增益调整。反之，R1、R2应取得稍大些，以保证通道的动态范围。R3根据LED的导通电流适当选取。实际电路中参数R1=R2=250kΩ, R3=470kΩ, R4=1MΩ。
用DCP0105将电路两侧的电源隔离开来，其峰值隔离度为3500V，可以满足系统的要求。电路中C1、C2是为改善DCP0105的输出波形而引入的。由此可见，隔离电路以TIL300、DCP0105形成了分界线，左侧与被测模拟量连接，右侧与后级A/D变换连接。采样信号经过运放的放大分两路后送至TIL300，隔离放大后送入次级运放。
结语
笔者所设计的AD7708前端隔离电路已经成功应用于某卫星电源监测系统。
本文摘自《EDN电子设计技术》
