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ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間:2020-03-20 來源:Steven Xie, Karl Wei, 和 Claire Croke 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】高壓開關(guān)、雙極性ADC以及其它具有多個(gè)電源的器件通常要求以特定序列施加或移除電源電壓。本文提出一種簡單且經(jīng)濟(jì)高效的方法,用于確定系統(tǒng)在受電源瞬變、中斷或序列變化影響下的行為。AD7656-1(表1)就是一個(gè)使用多個(gè)電源的器件例子,該器件是一款16位、250 kSPS、6通道、同步采樣、雙極性輸入ADC。ADuC7026精密模擬微控制器的四個(gè)12位DAC提供DUT的可編程電源電壓。利用AD7656-1評估板 和ADuC7026評估板 ,可借助最少的硬件和軟件開發(fā)工作來完成原型制作。
 
表1. AD7656-1典型電源電壓和最大電源電流
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
 
表1所示為該ADC每個(gè)電源的典型電壓和最大電流。ADuC7026上四個(gè)DAC產(chǎn)生的可編程序列可控電壓波形由AD7656-1評估板上的超低噪聲和失真AD797 運(yùn)算放大器來進(jìn)行調(diào)整,以提供額定電源電壓和電流。微控制器的速度和可編程性有助于控制電源電壓的電壓水平、周期、脈沖寬度和斜坡時(shí)間。
 
例如,使用外部電源時(shí),AD7656-1評估板(增益配置為5)上的AD797放大器可以產(chǎn)生0 V至12.5 V范圍內(nèi)的電壓,以驅(qū)動ADC的s VDD 供電軌。AD797的高輸出驅(qū)動能力允許向各供電軌提供高達(dá)50 mA的電流。圖1給出了該ADC的連接圖。
 
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖1. AD7656-1連接圖
 
ADuC7026的DAC數(shù)據(jù)寄存器可以采用41.78 MHz內(nèi)核時(shí)鐘來以7 MHz的速率進(jìn)行更新,從而使電壓更新速率達(dá)到最大。下文介紹開發(fā)過程并提供利用評估板獲得的測量結(jié)果。
 
硬件開發(fā)和設(shè)置
 
硬件連接和測試設(shè)置如圖2所示。ADuC7026評估板上的四個(gè)DAC輸出引腳和AGND分別連接到AD7656-1評估板上的四個(gè)AD797輸入端和AGND。Agilent E3631A外部電源模塊為AD797提供±15 V電源。通過USB連接到ADuC7026評估板的電腦則提供5 V電源和串行通信。
 
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖2. 硬件連接和測試基準(zhǔn)
 
原理圖設(shè)計(jì)
 
AD7656-1評估板上唯一需要進(jìn)行的硬件更改與AD797有關(guān)??梢葬槍Σ煌脑鲆婧蛶捯髞磉x擇R1和R2。圖3顯示的是AD797配置為采用大小為4的增益,來從ADuC7026 DAC的0 V至2.5 V提供0 V至10 V輸出。R3和C1構(gòu)成一個(gè)低通濾波器,以降低高頻噪聲。CL用作供電軌上的負(fù)載電容。
 
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖3. 增益為4的AD797原理圖設(shè)計(jì)
 
圖4顯示的是從NI Multisim™仿真工具得到增益為4時(shí)AD797的頻率響應(yīng)。1.0 MHz帶寬和73°相位裕量可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定操作。
 
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖4. 增益為4時(shí)AD797的頻率響應(yīng)
 
AD797設(shè)計(jì)筆記
 
AD797是一款超低失真、超低噪聲運(yùn)算放大器,采用±15 V電源供電時(shí)具有80 µV最大失調(diào)電壓、出色的直流精度、800 ns的16位建立時(shí)間、50 mA輸出電流以及±13 V輸出擺幅等特性,非常適合驅(qū)動供電軌。
 
該器件的容性負(fù)載相當(dāng)大,但未針對這點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償,因此必須采用外部補(bǔ)償技術(shù)來優(yōu)化該應(yīng)用。圖5顯示的是驅(qū)動容性負(fù)載而導(dǎo)致AD797輸出上出現(xiàn)的振蕩。
 
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖5. 未進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)的振蕩情況
 
為穩(wěn)定驅(qū)動供電軌上的容性負(fù)載,應(yīng)在輸出端和負(fù)載之間放置電阻R4。該電阻將運(yùn)算放大器輸出和反饋網(wǎng)絡(luò)與容性負(fù)載隔離開來,可在反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)內(nèi)引入一個(gè)零點(diǎn),從而降低高頻條件下的相移。1 反饋電容C2補(bǔ)償運(yùn)算放大器輸入端的容性負(fù)載,包括C1。
 
應(yīng)用DAC
 
ADuC7026精密模擬微控制器配有四個(gè)12位電壓輸出DAC,這些DAC具有軌到軌輸出緩沖器、三種可選范圍和10 µs建立時(shí)間等特性。
 
每個(gè)DAC有三種可選范圍:0 V至VREF(內(nèi)部帶隙2.5 V基準(zhǔn)電壓源)、0 V至DACREF (0 V至 AVDD), 和 0 V to AVDD。范圍由控制寄存器DACxCON進(jìn)行設(shè)置。DAC可以采用 0 V to AVDD范圍的外部基準(zhǔn)電壓源。采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源時(shí),VREF引腳與AGND之間必須接上一個(gè)0.47 µF電容,以確保穩(wěn)定性。
 
四個(gè)DAC每個(gè)都可通過控制寄存器DACxCON和數(shù)據(jù)寄存器DACxDAT獨(dú)立配置。通過DACxCON寄存器配置DAC后,可向DACxDAT中寫入數(shù)據(jù)來獲取所需的輸出電壓電平。
 
四個(gè)DAC輸出可以輕松采用C語言或匯編語言進(jìn)行控制。下列C語言代碼示例顯示如何選取內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源并將DAC0輸出設(shè)置為2.5 V。
 
//connect internal 2.5 V reference to VREF pin
 
REFCON = 0x01;
 
//enable DAC0 operation
 
DAC0CON = 0x12;
 
//update DAC0DAT register with data 0xFFF
 
DAC0DAT = 0x0FFF0000;
 
采用匯編語言時(shí):
 
DAC0CON[5] is cleared to update DAC0 using core clock (41.78 MHz) for fast update rate;
 
DAC0CON[1:0] is set to ''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''10'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''' to use 0 V to VREF (2.5 V) output range
 
''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''DAC0DAT = 0x0FFF0000'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''' can be compiled to assembly code with two instructions:
 
MOV   R0, #0x0FFF0000
 
STR    R0, [R1, #0x0604]
 
這兩條指令總共需要六個(gè)時(shí)鐘周期來執(zhí)行,當(dāng)內(nèi)核時(shí)鐘頻率為41.78 MHz時(shí)對應(yīng)的更新速率為7 MHz。因此,供電軌之間的時(shí)間延遲可以精確到144 ns。
 
測量結(jié)果
 
ADuC7026中的四個(gè)DAC為AD7656-1提供四個(gè)電源,以測試其在電源瞬態(tài)或序列變化下的行為。表2給出了ADC的電源和電壓電平。
 
表2. AD7656-1的電源
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
 
四個(gè)DAC輸出(如表2中所述)的波形是采用示波器獲得的,具體如圖6所示。各通道的電壓電平、周期、脈沖寬度和斜坡時(shí)間均可通過編程設(shè)置,控制非常方便。下文將測量并介紹具體參數(shù)。
 
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖6. 四通道電壓波形
 
要使各個(gè)電源實(shí)現(xiàn)精確的電壓電平,可使用可調(diào)電阻作為圖3中的R1。電壓電平通過利用Agilent 34401A數(shù)字萬用表調(diào)整R1來校準(zhǔn)。
 
要確定電壓波形的最大頻率,應(yīng)測量上升和下降斜坡時(shí)間。斜坡時(shí)間與電阻R4和容性負(fù)載CL的值有關(guān)。針對較慢的斜坡時(shí)間,可以為R4和CL選用較大的電阻和電容值。此處測試了不同負(fù)載電容條件下AVCC 和 DVCC 的上升和下降斜坡時(shí)間,具體結(jié)果如表3所示。采用1 µF電容時(shí)的上升波形如圖7所示。斜坡時(shí)間在10 V的10%和90%之間測得。
 
表3. 容性負(fù)載條件下的斜坡時(shí)間
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圖7. 1 µF容性負(fù)載條件下的上升時(shí)間
 
電源紋波
 
AD797具有出色的直流精度,可通過調(diào)整反饋電阻R1輕松地為AD7656-1提供精確的標(biāo)準(zhǔn)電壓電平。電源的峰峰值紋波是在標(biāo)稱電壓電平、200 MHz及20 MHz帶寬和0.1 µF容性負(fù)載條件下利用DS1204B示波器測得的。表4顯示紋波小于標(biāo)稱電壓的1%,因此四個(gè)電源均符合要求。
 
表4. 各電源的紋波
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ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖8. AVCC 和DVCC上5 V電源的紋波
 
生成波形
 
對ADuC7026源代碼進(jìn)行簡單修改后,便可以針對要求評估不同電源條件下器件工作狀況的不同應(yīng)用生成多種不同序列的電壓波形。生成的典型波形如圖9和圖10所示。
 
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖9. 22.32 kHz方波波形
 
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖10. 13.16 kHz脈沖波形
 
圖11所示的LabVIEW® GUI可用于生成電源波形??梢暂p松配置四個(gè)通道的電壓電平、斜坡時(shí)間、周期和序列延遲時(shí)間。GUI和ADuC7026之間利用串行端口進(jìn)行通信。
 
ADuC7026提供可編程電壓,用于評估多電源系統(tǒng)
圖11. 電源配置GUI
 
結(jié)論
 
此處利用AD7656-1和ADuC7026評估板開發(fā)并驗(yàn)證了一種簡單而經(jīng)濟(jì)高效的方式來評估電源時(shí)序控制影響。ADuC7026評估板為四個(gè)電源產(chǎn)生可控可編程時(shí)序,以評估不同電源時(shí)序/斜坡條件下ADC的工作情況。微控制器中的三相16位PWM發(fā)生器可以提供總共七個(gè)電壓通道。
 
采用標(biāo)準(zhǔn)±15 V直流電源模塊時(shí),此便攜式電源評估系統(tǒng)允許設(shè)計(jì)人員評估ADC,尤其是那些具有較多電源的ADC。
 
我邀請您在中文技術(shù)論壇上的ADI社區(qū)對隔離式RS-232接口發(fā)表評論。
 
致謝
 
Aude Richard(ADuC應(yīng)用工程師)為本文撰寫提供了很好的建議和幫助,在此表示衷心感謝。
 
1Bendaoud, Soufiane 和 Giampaolo Marino, 避免因容性負(fù)載而出現(xiàn)不穩(wěn)定的實(shí)用技術(shù)(應(yīng)用工程師問答—32)模擬對話第38卷第2期 (2004)。
 
 
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