【導(dǎo)讀】許多傳感器接口應(yīng)用要求信號(hào)和電源隔離。為了運(yùn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、提供傳感器偏置以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)隔離，電源是必需的，但隔離電源的開關(guān)噪聲可能會(huì)影響高精度測(cè)量。例如，當(dāng)ADuM5201 isoPower的儲(chǔ)能電路工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生360 MHz的噪聲。如果該噪聲與ADC的采樣時(shí)間重合，噪聲將耦合到傳感器偏置、ADC電源或基準(zhǔn)電壓源中，導(dǎo)致測(cè)量喪失一定的保真度。為減少干擾，數(shù)字系統(tǒng)的常規(guī)做法是在時(shí)鐘沿之間開始ADC轉(zhuǎn)換，確保開關(guān)噪聲不與電壓轉(zhuǎn)換相互作用。
isoPower產(chǎn)品的工作方式是讓一個(gè)高電流儲(chǔ)能振蕩器在內(nèi)部微變壓器中運(yùn)行。電源被耦合到副邊，然后整流為直流。副邊調(diào)節(jié)輸出電壓，產(chǎn)生一個(gè)PWM式信號(hào)，并通過一個(gè)iCoupler®數(shù)據(jù)通道將其送回原邊，從而根據(jù)副邊電源和電壓需求開關(guān)儲(chǔ)能振蕩器。ADI公司有多款isoPower器件允許通過外部引腳直接控制儲(chǔ)能電路，因此一個(gè)公共PWM信號(hào)就能控制多個(gè)isoPower器件。當(dāng)ADC進(jìn)行高保真度轉(zhuǎn)換時(shí)，可以利用這一特性來消除儲(chǔ)能電路噪聲。ADuM520x、ADuM620x、ADuM5000和ADuM6000可以用作外部主控制器的從機(jī)，支持這種功能的控制線可以接受用來禁用儲(chǔ)能電路的BLANK(屏蔽)信號(hào)。使用兩條控制線： RCIN和RCSEL。
圖1. 隔離低噪聲ADC電路
RCSEL選擇儲(chǔ)能控制電路的信號(hào)源：從副邊上的調(diào)節(jié)電路獲得的PWM信號(hào)或者提供給RCIN的信號(hào)。如果RCIN線接低電平，則RCSEL的作用是在副邊控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)與強(qiáng)制振蕩器關(guān)閉之間選擇其一。
當(dāng)振蕩器關(guān)閉時(shí)，輸出電壓以負(fù)載(等效電阻RLOAD)和VISO上大電容的值(CLOAD)所確定的速率降低，電壓驟降時(shí)間常數(shù)為RLOAD × CLOAD。當(dāng)RCSEL信號(hào)變回高電平時(shí)，控制環(huán)路將VISO重新驅(qū)動(dòng)到調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)。
圖1所示電路采用12位ADC、具有I2C數(shù)據(jù)接口的AD7896構(gòu)建，說明了該技術(shù)的重要特點(diǎn)。為簡(jiǎn)明起見，所示電路沒有顯示旁路電容和上拉電阻等許多無源元件，但完整的原理圖應(yīng)適當(dāng)添加這些元件。器件通過I2C接口與控制器通信，因此利用ADuM1250來隔離數(shù)據(jù)通信。ADuM5201用于提供電源并隔離ADC的轉(zhuǎn)換開始和BUSY信號(hào)。
當(dāng)CONVST信號(hào)變?yōu)榈碗娖讲⒊掷m(xù)t1= 40 ns時(shí)，轉(zhuǎn)換開始(參見圖2)。在轉(zhuǎn)換過程中，BUSY信號(hào)變?yōu)楦唠娖讲⒊掷m(xù)約4 µs，表示數(shù)據(jù)尚未就緒，無法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。然后，BUSY線變回低電平，數(shù)據(jù)可以通過I2C總線的SCLK線輸出。
圖2. 系統(tǒng)時(shí)序圖
BLANK信號(hào)將RCSEL引腳拉低，從而屏蔽來自ADuM5201的電源。當(dāng)電源振蕩器活動(dòng)時(shí)，需要大約100 ns才能將其關(guān)閉，因此BLANK信號(hào)應(yīng)持續(xù)t0 > 100 ns，確保輸出電源是平靜的。為實(shí)現(xiàn)最高精度的轉(zhuǎn)換，可以使振蕩器在特定ACD要求的時(shí)間內(nèi)保持關(guān)閉。本例中，在BUSY信號(hào)變回低電平之前，電源一直處于關(guān)閉狀態(tài)。BLANK信號(hào)的作用如圖3所示：在施加BLANK信號(hào)之前，可以清楚地看到儲(chǔ)能電路噪聲；大約100 ns后，儲(chǔ)能電路關(guān)閉。
圖3. 從BLANK脈沖到電源噪聲消失的延遲時(shí)間
圖4. 10 mA負(fù)載下的完整運(yùn)作和BLANK脈沖引起的24 mV電壓下降
isoPower器件的一個(gè)完整屏蔽周期如圖4所示，數(shù)據(jù)是在5 μs屏蔽脈沖、10 mA負(fù)載和CLOAD =10 μF條件下獲得的。重要特點(diǎn)包括：以大約600 kHz速率出現(xiàn)的周期性儲(chǔ)能振蕩器噪聲、各振蕩器突發(fā)脈沖之間的標(biāo)準(zhǔn)紋波，以及屏蔽脈沖引起的輸出下降。本例中，5 μs BLANK脈沖引起的輸出電壓下降僅為24 mV，只比輸出中的標(biāo)準(zhǔn)紋波多幾倍，對(duì)ADC測(cè)量的影響微不足道。isoPower器件在大20 μs內(nèi)恢復(fù)到輸出設(shè)定點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)就緒，可以進(jìn)行下一次測(cè)量。該方法靈活方便，只需根據(jù)負(fù)載和屏蔽時(shí)間的變化調(diào)整CLOAD的值，使電壓下降處于所需的電平，就能輕松適應(yīng)許多時(shí)序要求，從而以ADC的極限精度進(jìn)行測(cè)量。
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