Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 8

Входной узел для обработки сигналов с большими значениями синфазной и дифференциальной составляющих



▌Описание схемы
Такие устройства, как, например, многофункциональные реле, датчики напряжения промышленной сети или системы управления железнодорожного транспорта, как правило, работают с дифференциальными сигналами, амплитуда и абсолютный (относительно общего провода) потенциал которых значительно превосходят диапазон рабочих напряжений АЦП. В этой главе приведен один из вариантов реализации узла, позволяющего оцифровывать подобные сигналы с помощью обычного АЦП последовательного приближения. В предлагаемой схеме (рисунок 39) прецизионный операционный усилитель осуществляет согласование высокоуровневого входного дифференциального сигнала со входом АЦП, причем коэффициент передачи узла на ОУ рассчитан таким образом, чтобы амплитуда сигнала на входе АЦП находилась в пределах ±10 В.


рис. 39
Исходные данные для расчета данной схемы приведены в таблицах 31 и 32, а технические характеристики – в таблице 33. При необходимости параметры элементов могут быть скорректированы под конкретные значения амплитуд синфазной и дифференциальной составляющих входного сигнала, а также – с учетом требований к динамическим характеристикам, частотному диапазону и прочим особенностям конкретного приложения.


Рекомендуем обратить внимание:
  • Требуемый коэффициент усиления узла на основе операционного усилителя необходимо определять на основе параметров реального входного сигнала и с учетом возможностей АЦП, как описано в разделе «Выбор компонентов».
  • Допустимый диапазон изменения входного синфазного сигнала определяется по методике, приведенной в разделе «Выбора компонентов».
  • В рассматриваемой схеме амплитуда синфазной составляющей входного сигнала может принимать любые значения в диапазоне VInputCM. Пример расчета данного параметра для операционных усилителей OPA827 и OPA192 приведен в разделе «Выбор компонентов».
  • Конденсаторы COG следует выбирать по критерию минимального уровня искажений.
  • Для обеспечения требуемой точности оцифровки необходимо использовать пленочные резисторы с точностью 0,1% и температурным коэффициентом сопротивления 20 ppm/°C или выше. Чтобы минимизировать величины ошибок усиления, смещения и оцифровки, обратите внимание на анализ статистических характеристик схемы.
  • При выборе компонентов коррекции частотной характеристики операционного усилителя следует руководствоваться требованиями к динамическим характеристикам системы. Значения Rfilt и Cfilt зависят от схемотехники узла сопряжения, рабочей полосы частот входного сигнала, а также частоты дискретизации АЦП. В приведенном примере показан один из наилучших вариантов реализации данной цепочки, однако при необходимости, например, при изменении схемы узла сопряжения, возможно, придется использовать другой RC-фильтр.

Выбор компонентов
Определим необходимый коэффициент передачи по напряжению узла на ОУ по формуле 1:


Этот же коэффициент определяется соотношением номиналов резисторов Rf/Rg в цепи отрицательной обратной связи, которые можно рассчитать, например, используя шаблоны в разделе «Усилитель и компаратор\Расчет коэффициента усиления» («Amplifier and Comparator\Find Amplifier Gain») Инженерного калькулятора для аналоговых схем (Analog Engineer’s Calculator). При использовании номиналов резисторов из стандартного ряда, получим формулу 2:

Определим минимальное и максимальное напряжение на входе операционного усилителя (рабочий диапазон синфазного напряжения Vcm_amp). Согласно технической документации на ОУ OPA827, величины синфазных напряжений на его входах Vcm_opa должны находиться в диапазоне (формула 3):

При напряжении питания V+ = 15 В и V= -15 В получим формулу 4:

Рабочий диапазон синфазного напряжения для выбранной схемы можно определить с помощью формулы 5:

где Vcm_opa – напряжение на входе ОУ, VInputCM и Vdif – соответственно, синфазное и дифференциальное напряжение входного сигнала (рисунок 39).

Определим рабочий диапазон синфазного напряжения VInputCM. Для ОУ OPA827 при амплитуде входного сигнала ±20 В оно будет находиться в диапазоне ±26 В:

Выход синфазного напряжения за пределы этого диапазона приведет к увеличению уровня искажений. Значение VInputCM во многом зависит от технических характеристик ОУ. Так, например, при использовании микросхемы OPA192 синфазное напряжение может находиться в диапазоне ±35 B. Расширить рабочий диапазон можно также путем увеличения напряжения питания, например, с ±15 В до ± 18 В.

Определим емкость конденсатора Cf. Данная схема рассчитывается на полосу пропускания с максимальной частотой 10 кГц. При необходимости ее можно изменить, однако при этом следует пересчитать также номиналы элементов фильтра нижних частот Cfilt и Rfilt на входе АЦП (формула 6):

Выбираем конденсатор с емкостью 3 нФ.

Определим значение фильтра нижних частот Cfilt и Rfilt с помощью программы TINA SPICE и методов, описанных на странице «Особенности выбора компонентов для АЦП последовательного приближения» (“Introduction to SARADC Front-End Component Selection”) официального сайта Texas Instruments. Номиналы элементов Cfilt и Rfilt для выбранной схемы показаны на рисунке (рисунке 39). При необходимости, например, при использовании другого ОУ или для другой ширины полосы пропускания, их также можно пересчитать с помощью калькулятора TINA SPICE.

В полной версии статьи:

Расчет передаточных характеристик по постоянному току данного узла на ОУ
Расчет его АЧХ
Переходные характеристики АЦП
Расчет шумовых характеристик
Исследование устойчивости системы
  • +1
  • 15 августа 2019, 23:13
  • DIHALT

Комментарии (0)

RSS свернуть / развернуть
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.