【導讀】雖然世界繼續更加數字化，計算能力和數字功能愈發(fā)關(guān)鍵，但測量環(huán)境和與實(shí)際器件交互的需求仍然是一種模擬功能。為了在數字和模擬域的邊界運行，處理器必須包括混合信號輸入/輸出，并適應更多的軟件可編程范圍，從而支持許多工業(yè)、儀器儀表和自動(dòng)化應用。
圖1所示的電路是一個(gè)靈活的多通道混合信號模擬輸入/輸出(I/O)模塊。16個(gè)單端模擬輸出可通過(guò)軟件配置，支持范圍為0V至5V、±5V、0V至10V和±15V。8個(gè)全差分模擬輸入通道的輸入范圍為0V至2.5V、±13.75V和0V至27.5V，可通過(guò)硬件進(jìn)行選擇。
圖1.ADI CN0554簡(jiǎn)化功能框圖
該電路可直接安裝在樹(shù)莓派的頂部，為這款受歡迎的單板計算機提供模擬I/O接口?？赏ㄟ^(guò)Linux工業(yè)輸入/輸出(IIO)框架訪(fǎng)問(wèn)軟件控制，提供各種調試和開(kāi)發(fā)實(shí)用程序，以及支持C、C#、MATLAB、Python等語(yǔ)言綁定的跨平臺應用程序編程接口(API)。
軟件可以在樹(shù)莓派上本地運行，也可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接進(jìn)行遠程控制。模塊的5V電源通過(guò)樹(shù)莓派接口連接器提供，不需要額外的電源。所有這些特性使該系統適用于低功耗、本地和遠程、精密模擬I/O應用。
評估和設計支持
?電路評估板
?ADI CN0554電路評估板(EVAL-CN0554-RPIZ)
?設計和集成文件
?原理圖、布局文件、物料清單、軟件
電路描述
ADI CN0554為精密應用提供完整的模擬I/O系統。該電路可細分為兩個(gè)主要組件：模數轉換(ADC)和數模轉換(DAC)。
● 模擬輸入
CN0554可通過(guò)板載LT5400外部匹配電阻網(wǎng)絡(luò )適應高達11倍輸入衰減的模擬輸入電壓范圍。該器件通過(guò)跳線(xiàn)選擇增加了模擬輸入電壓范圍。
表1顯示了CN0554的完整跳線(xiàn)配置和相應的模擬輸入電壓范圍。
表1.模擬輸入范圍
● 模數轉換
CN0554包含具有可配置模擬輸入的24位Σ-Δ ADC——AD7124-8。8個(gè)全差分輸入通道或16個(gè)單端輸入通道可通過(guò)軟件配置，并提供可編程增益、濾波器設置和輸出數據速率。
外部基準電壓可通過(guò)跳線(xiàn)進(jìn)行選擇，可以是AD7124-8的內部帶隙基準電壓源，也可以是高精度、低功耗和低噪聲基準電壓源ADR4525的2.5V輸出。由于基準電壓漂移直接影響ADC的精度，CN0554使用外部基準電壓源，因為與內部基準電壓源相比，其溫度漂移性能更佳。
AD7124-8的Σ-Δ架構在小信號傳感器測量，甚至工業(yè)等高噪聲環(huán)境中均提供高分辨率和噪聲抑制。輸出數據速率的可編程范圍為1.17SPS至19.2kSPS，相應的測量分辨率分別為24nV rms至72μV rms；有幾種濾波器模式可用。這使得CN0554的分辨率、數據速率和噪聲抑制能夠針對廣泛的應用進(jìn)行優(yōu)化。
● 數模轉換
CN0554包含16個(gè)使用LTC2688電壓輸出DAC的單端16位模擬輸出。每個(gè)通道都有一個(gè)內部軌到軌輸出緩沖區，可提供或接收高達20mA的電流。
LT8582為L(cháng)TC2688提供±18V電源軌，使DAC能夠充分利用其高達±15V的模擬輸出范圍。每個(gè)通道的輸出范圍可獨立編程為表2中列出的五個(gè)范圍?；鶞孰妷嚎赏ㄟ^(guò)軟件編程，可使用內部4.096V，或將ADR4525 2.5V基準電壓源用于A(yíng)DC。每個(gè)通道還支持5%的超量程。
表2.電壓輸出范圍調整
● 切換和抖動(dòng)功能
CN0554同時(shí)支持切換和抖動(dòng)功能。切換功能可以在兩個(gè)不同的DAC代碼之間快速切換DAC輸出，而無(wú)需任何SPI事務(wù)，從而消除了通信事務(wù)。示例包括注入一個(gè)小的直流偏置或在通斷狀態(tài)之間獨立切換。
抖動(dòng)減少了精密應用中的量化誤差，并通過(guò)在多個(gè)輸出代碼上擴展非線(xiàn)性來(lái)完成。此功能在許多需要將交流信號疊加在信號的平均直流值附近的應用中很有幫助。例如，在光學(xué)應用中，光路的次級特性可通過(guò)其對小交流信號的響應來(lái)測量。此外，抖動(dòng)減少了滑閥等機械系統中的粘滯，加快了滑閥位置變化時(shí)的響應速度。
○ 切換操作
如圖2所示，每個(gè)通道都支持切換操作，可在通過(guò)軟件設置的兩個(gè)值之間切換輸出電壓。切換由切換信號控制，該信號可從樹(shù)莓派或內部軟件控制寄存器的三個(gè)不同外部數字輸入（TGP0、TGP1和TGP2）中獲取。其中兩個(gè)數字信號TGP0和TGP1連接到樹(shù)莓派數字輸出，支持脈沖寬度調制(PWM)。
圖2.切換和抖動(dòng)操作框圖
圖3顯示了CN0554執行的切換操作示例。根據切換引腳，輸出電壓在零電平和滿(mǎn)量程值之間擺動(dòng)，在1kHz時(shí)測量的峰峰值電壓為33.0V。
圖3.零電平至滿(mǎn)量程輸出電壓切換
○ 抖動(dòng)操作
在CN0554中，每個(gè)通道還支持將正弦抖動(dòng)信號添加到模擬輸出的抖動(dòng)操作。正弦曲線(xiàn)是使用查找表生成的，查找表中的值來(lái)自等式1。
(1)
其中：
n = 0, 1, 2, … N — 1。
N是信號周期。
φ0是信號相位角，初始信號相位。
CN0554可配置抖動(dòng)信號的幅度、周期和相位角。
抖動(dòng)信號的幅度通過(guò)軟件設置，可以在設置的最大輸出電壓的0%到25%之間。
為了設置抖動(dòng)頻率，需要抖動(dòng)時(shí)鐘輸入，并且可以從樹(shù)莓派的三個(gè)外部數字輸入TGP0、TGP1和TGP2中選擇。其中兩個(gè)外部輸入TGP0和TGP1連接到樹(shù)莓派數字輸出，具有PWM特性，可輕松配置時(shí)鐘頻率。
抖動(dòng)信號的頻率通過(guò)由4、8、16、32和64軟件可配置分頻器分頻的抖動(dòng)時(shí)鐘輸入來(lái)設置，從而使用等式2來(lái)計算由此產(chǎn)生的抖動(dòng)信號的頻率：
(2)
其中：
fsignal是產(chǎn)生的抖動(dòng)信號的頻率。
fPWM是PWM時(shí)鐘頻率。
N是分頻器。
抖動(dòng)相位角可配置為四個(gè)不同的值：0、90、180和270。所有這些參數有助于精確控制抖動(dòng)DAC通道輸出。
圖4顯示了CN0554在最大信號周期的中間電平輸出電壓下執行的抖動(dòng)操作示例，在1kHz抖動(dòng)時(shí)鐘下，峰峰值電壓為15.04V。
圖4.最大信號周期時(shí)的中間電平輸出電壓
圖5顯示了在最小信號周期的中間電平輸出電壓下執行的抖動(dòng)操作，在1kHz抖動(dòng)時(shí)鐘下，峰峰值電壓為17.6V。
圖5.最小信號周期時(shí)的中間電平輸出電壓
● 系統性能
○ 模擬輸入噪聲性能
圖6顯示了中間電平輸入(5V)時(shí)的噪聲特性，圖7顯示了滿(mǎn)量程輸入(10V)時(shí)的噪聲特性。
圖6.中間電平模擬輸入噪聲直方圖
圖7.滿(mǎn)量程模擬輸入噪聲直方圖
○ 模擬輸出噪聲性能
LT8582的開(kāi)關(guān)穩壓器輸出經(jīng)過(guò)旁路和濾波，以降低噪聲。圖8顯示了零電平輸出時(shí)的交流耦合信號噪聲，其在14.4mV時(shí)具有非常低的峰峰值噪聲。
圖8.來(lái)自ADC和DAC通道環(huán)回的零電平AC耦合噪聲信號
圖9顯示了中間電平輸出時(shí)產(chǎn)生的13.4mV峰峰值噪聲。
圖9.來(lái)自ADC和DAC通道環(huán)回的中間電平AC耦合噪聲信號
在圖10中，電路板在滿(mǎn)量程輸出時(shí)產(chǎn)生了17.6mV的最高峰峰值噪聲。
圖10.來(lái)自ADC和DAC通道環(huán)回的滿(mǎn)量程AC耦合噪聲信號
○ 模擬輸出線(xiàn)性
積分非線(xiàn)性(INL)是指與通過(guò)DAC轉換函數端點(diǎn)的直線(xiàn)的最大偏差（單位：LSB）。此外，差分非線(xiàn)性(DNL)是任意兩個(gè)相鄰代碼之間測得的變化值與理想的1LSB變化值之間的差異。最大±1LSB的額定差分非線(xiàn)性可確保單調性。
圖11顯示了輸出電壓的DNL（單位：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設置值的對比。
圖11.輸出電壓的差分非線(xiàn)性
圖12顯示了輸出電壓的INL（單位：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設置值的對比。
圖12.輸出電壓的積分非線(xiàn)性
● 電源架構
CN0554直接從樹(shù)莓派40引腳接口連接器獲取電源。圖13顯示了CN0554的完整電源樹(shù)。
圖13.CN0554電源樹(shù)
LT8582是一個(gè)雙獨立通道開(kāi)關(guān)DC/DC轉換器，負責樹(shù)莓派5V電源的升壓和反相。
LT8582輸出18V和-18V軌，然后用于為ADC和DAC提供必要的電源軌。CN0554還通過(guò)LT8582的故障保護特性提供輸入過(guò)壓和過(guò)熱保護。
ADM7160超低噪聲、低壓差穩壓器為AD7124-8提供3.3V模擬電源軌。該穩壓器由樹(shù)莓派接口連接器上的5V電源軌供電。AD7124-8數字I/O電源直接連接到樹(shù)莓派的3.3V電源軌。
LT3090將-18V電源軌調節至-0.1V，為AD7124-8提供略微為負的模擬電源。電源軌設計成即使在啟用輸入緩沖器的情況下，絕對模擬輸入電壓也能覆蓋從接地到基準電壓的整個(gè)范圍。
常見(jiàn)變化
AD7124-4可用于代替AD7124-8，只有8個(gè)單端和/或4個(gè)差分通道；這降低了無(wú)需額外通道的應用成本。
LTC2686是LTC2688的8通道替代品。它具有55mA的更高輸出驅動(dòng)電流和用于驅動(dòng)高容性負載的補償引腳。
如果只需0V至5V的輸出范圍，則LT8582可更換為單一正5V電源。DAC的替代電源選項可以考慮較低的輸出電流升壓或反相穩壓器 ，因為電路板設計為支持所有通道上的全部DAC輸出電流。
此外，還可以根據應用添加低壓差穩壓器等升壓或反相穩壓器的低噪聲后置調節。
電路評估與測試
本節介紹評估EVAL-CN0554-RPIZ的設置和程序。如需完整的詳細信息，請參閱CN0554用戶(hù)指南。
● 設備要求
?EVAL-CN0554-RPIZ電路評估板
?樹(shù)莓派4 B型
?帶HDMI的顯示器
?Micro HDMI轉HDMI適配器
?USB鍵盤(pán)和鼠標
?16GB或更大的SD卡
?ADI公司Kuiper Linux鏡像
?5V、3A USB Type-C電源適配器
?母對母環(huán)回跳線(xiàn)
?示波器
?數字電壓表（6位或更高）
● 開(kāi)始使用
默認情況下，ADI CN0554評估板配置了用于測試的正確分流位置。訪(fǎng)問(wèn)EVAL-CN0554-RPIZ用戶(hù)指南以驗證分流位置。
要執行評估測試，請按以下步驟操作：
1.將EVAL-CN0554-RPIZ連接到樹(shù)莓派，如圖14所示。
圖14.EVAL-CN0554-RPIZ連接到樹(shù)莓派
2.將具有Kuiper Linux鏡像的SD卡插入樹(shù)莓派。
3.使用母對母環(huán)回跳線(xiàn)電纜連接ADC輸入和DAC輸出通道，如圖15所示。
圖15.具有環(huán)回連接的EVAL-CN0554-RPIZ測試設置
4.將樹(shù)莓派的HDMI電纜連接到顯示器，然后將鍵盤(pán)和鼠標連接到USB端口。
5.使用USB Type-C電源適配器為樹(shù)莓派供電，并等待樹(shù)莓派啟動(dòng)。
圖16.系統測試設置
6.打開(kāi)IIO示波器，卸下(undock)DMM和調試選項卡，如圖17所示。
圖17.IIO示波器DMM和調試選項卡
7.在DMM窗口中，選擇ad7124作為器件并選擇要測量的通道，例如ad7124-8:voltage0-voltage1。點(diǎn)擊Play按鈕開(kāi)始測量。
圖18.IIO示波器DMM窗口
8.在調試窗口中，在“器件選擇”中選擇ltc2688。在IIO器件屬性部分，選擇輸出電壓1通道并選擇原始屬性。將值設置為32768，然后點(diǎn)擊寫(xiě)入。這應該將輸出電壓設置為2.5V左右，即默認輸出范圍0V至5V的一半。
圖19.IIO示波器調試窗口
9.DMM測量值應顯示約0.227V或2.5V的1/11，即默認輸入電壓衰減。
圖20.CN0554模擬I/O的環(huán)回測量
了解更多
-ADI CN0554設計支持包
-Thoren、Mark和Suteu、Cristina?！笆褂肞ython分析混合模式信號鏈中噪聲的簡(jiǎn)單方法?！盇DI公司
-科教視頻?！笆褂脦нB接模擬的樹(shù)莓派作為實(shí)驗室儀器?！盇DI公司
-Fortunato、Mark?！笆褂没旌闲盘栃酒晒?shí)現PCB接地——遵循最小阻抗路徑?！眒aximintegrated.com
-Meneu、Jean Jacques?！澳M和數字接地：混合信號設計原則?！盇rrow.com
-Deprey、Rebecca?！皩⒛M傳感器與樹(shù)莓派結合使用?！眗ebeccamdeprey.com
-樹(shù)莓派HAT簡(jiǎn)介。raspberrypi.com
數據手冊和評估板
涉及的數據手冊和評估板如下：LTC2688數據手冊、AD7124-8數據手冊、AD7124-8評估板、LT8582數據手冊、LT8582評估板、LT3090數據手冊、LT3090評估板、LT1790數據手冊、ADR4525數據手冊、LT5400數據手冊、ADM7160數據手冊、ADM7160評估板
ESD警告
ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會(huì )在沒(méi)有察覺(jué)的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專(zhuān)利或專(zhuān)有保護電路，但在遇到高能量ESD時(shí)，器件可能會(huì )損壞。因此，應當采取適當的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。
ADI的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設計構建。每個(gè)電路的設計和構建都嚴格遵循標準工程規范，電路的功能和性能都在實(shí)驗室環(huán)境中以室溫條件進(jìn)行了測試和檢驗。盡管如此，采用者仍需負責自行測試電路，并確定其是否適用。所以，ADI將不對由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。
Circuits from the Lab電路僅供與ADI產(chǎn)品一起使用，并且其知識產(chǎn)權歸ADI或其授權方所有。雖然您可以在產(chǎn)品設計中使用參考電路，但是并未默認授予其它許可，或是通過(guò)此參考電路的應用及使用而獲得任何專(zhuān)利或其它知識產(chǎn)權。ADI確信其所提供的信息是準確可靠的。不過(guò)，Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的，并不具有任何性質(zhì)的承諾，包括但不限于：明示、暗示或者法定承諾，任何適銷(xiāo)性、非侵權或者某特定用途實(shí)用性的暗示承諾，ADI無(wú)需為參考電路的使用承擔任何責任，也不對那些可能由于其使用而造成任何專(zhuān)利或其它第三方權利的侵權負責。ADI有權隨時(shí)修改任何參考電路，恕不另行通知。
?2022-2022 ADI公司。保留所有權利。商標和注冊商標是其各自所有者的財產(chǎn)。
關(guān)于A(yíng)DI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.analog.com/cn。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
車(chē)規MOSFET技術(shù)確保功率開(kāi)關(guān)管的可靠性和強電流處理能力
