г. Киев, ул. Северо-Сырецкая 1-3
т. (044) 400-00-46 т/ф. (044) 594-26-75

Изолированные АЦП (ЦАП)

Application Bulletin AB-11

Введение

Разделение  аналоговых и цифровых трактов всегда рассматривалось конструкторами как идеальное решение проблемы паразитных связей  через  общие провода. Любое изменение тока в общем проводе аналоговой части, к примеру АЦП, эквивалентно изменению  значения сигнала на его входе. На участке общего провода сопротивлением 5 мОм паразитный ток 1мА даст приращение паразитного напряжения 5 мкВ, воспринимаемого АЦП как приращение во входном  сигнале. Если для 12-bit АЦП это было несущественно, то для современных 24-разрядных сигма-дельта АЦП  разрешающая способность составляет уже ±300 нВ. Ошибка в 5 мкВ, вызванная   обратным током,  интерпретируется в ошибку на уровне16-го разряда, так что фактическая  разрядность 24-разрядного АЦП на такой плате будет 20. Если к тому же учесть импульсы от тактового  генератора (10МГц), от последовательного интерфейса и изменение тока в общей шине  соответственно плотности цифровых бит на выходе, то становится ясно, что суммарное влияние паразитных токов в общей шине на точность и разрешающую способность АЦП не позволяет и близко подойти к значениям, заявляемым в спецификациях.

Подобные выводы справедливы и для ЦАП. Импульсные помехи в общей аналоговой шине исказят выходной сигнал, если конструктор не примет никаких мер.

В этой статье  рассматриваются стандартные ИС серии IsoLoop и их использование в схемах изолированных АЦП (ЦАП).

Изолированные АЦП (ЦАП)

Изолированные АЦП (ЦАП) - это те устройства, для которых ИС серии IsoLoop подходят наилучшим образом. На рынке нет сегодня других ИС (технологий), способных конкурировать с ними по динамическим характеристикам, требуемым для одно- и многоканальных сигма-дельта АЦП, АЦП последовательного приближения, аудио ЦАП и высокочастотных кодеков. Малые искажения, полоса частот порядка 75 МГц, способность выдерживать всплески до 40 кВ/мкс, отсутствие внутреннего генератора синхроимпульсов, прочность изоляции  2500В, -  все это делает микросхемы серии IsoLoop непревзойденными в схемах прецизионных изолированных преобразователей сигналов.

Сигма-дельта АЦП

На Рис.1 показана  типовая схема  сигма-дельта АЦП с 4-хпроводным  SPI-интерфейсом.

Разрешающая способность и динамический диапазон позволяет включать АЦП прямо к выходу мостового датчика без всяких усилителей. Системный тактовый генератор расположен на изолированной стороне, и всего требуется передать через изолирующий барьер четыре сигнала, чтобы изолировать шину управления  микроконтроллера.  Для этого случая хорошим выбором будет 4-канальная микросхема IL717.

Рис. 1. Изолированный сигма-дельта АЦП с микросхемой IL717

 

Изолированные многоканальные сигма-дельта АЦП

Чтобы сохранить  точность и динамический диапазон одинаковыми для всех каналов, дрожание синхроимпульсов, размещение на временной диаграмме фронтов и спадов тактовых сигналов  должно совпадать для всех каналов АЦП. С целью достижения наибольшей идентичности, использован единственный тактовый генератор на системной стороне и параллельное распределение синхроимпульсов (через изолятор)  между всеми каналами АЦП.  На Рис 2 показана схема такого многоканального АЦП с применением пятиканальной микросхемы IL261, имеющей чрезвычайно низкий разброс между каналами по искажениям.

Рис. 2. Изолированные многоканальные сигма-дельта АЦП с использованием ИС IL261

 

Рис. 3 Многоканальная  система дискретизации с использованием ИС IL262

На Рис 3 показана многоканальная  система дискретизации с разделенными A/Ц ячейками. Микросхема IL262 используется для подачи сигналов управления  SPI-интерфейса к АЦП и получения от A/Ц ячейки сигнала BUSY , обеспечивая  эффективный управляемый прерываниями процесс дискретизации. Команда BUSY может быть также  использована для кадровой синхронизации в видео приложениях.

Изолированные многоканальные  АЦП

Если нет необходимости в изоляции входных каналов друг от друга, можно использовать АЦП с мультиплексором на входе, т.е. готовые интегральные многоканальные АЦП. Для передачи адресов каналов в многоканальном АЦП  (например, ADS7825) можно использовать изолятор IL261. На Рис.4 показана схема, дающая возможность выбора  одного из 4-х каналов.

Рис. 4. Изолированные многоканальные АЦП с использованием IL261

Изолированный аудио ЦАП

На Рис.5 показанасхемаиспользованиядвух  IL260 для ЦАП PCM1681.

Рис. 5. Изолированный аудио ЦАП с использованием двух IL260

Эту схема можно использовать для домашнего кинотеатра. Два изолятора  L260 обеспечивают качество Hi-Fi для звука, т.к. не дают цифровым помехам проникать на аналоговый выход. Большинство престижных аудио/видео приемников для домашнего кинотеатра уже имеют раздельные источники питания для аналоговой и цифровой части, так что добавление изоляторов не обойдется так уж дорого.  А если заложить такое решение при проектировании, можно уменьшить количество слоев печатной платы.

Уменьшение площади, занимаемой компонентами

Поддерживая тенденцию к миниатюризации всех электронных изделий, фирма NVE выпускает свои микросхемы также и в корпусе MSOP, поставляя на рынок наименьшие изоляторы, удовлетворяющие требованиям IEC 61010. Эти крошечные устройства занимают на печатной плате площадь меньше, чем 3мм x 5мм, выдерживая 2300 V RMS на изоляционном барьере. Микросхемы IL710-1 и IL711-1 в  корпусе MSOP, обеспечивающие трехпроводный SPI-интерфейс, плюс АЦП на Рис.6 в таком же корпусе занимают меньше места, чем 16-выводной  SOIC.

Рис. 6. Изолированный микромощный АЦП с применением IL711 и IL710

Трансляция (сдвиг) логического уровня

Микросхемы  IsoLoop позволяют элегантно преодолевать проблемы состыковки или функционирования устройств, напряжение питания которых должно быть различным.  Все ИС серий IL7xx и IL2xx способны транслировать логические уровни низковольтных серий (3.3В)  в 5-вольтовые логические уровни и наоборот.

Меньшая стоимость, пригодность для изоляции большого перечня устройств

Как показано выше, цифровые изоляторы серий IL7xx и IL2xx могут использоваться для многих типов АЦП и ЦАП с шириной полосы до 75МГц. Изоляторы фирмы NVE серии IL6xx могут использоваться для тех же устройств при меньшей стоимости. Несмотря на то, что требуется дополнительный резистор, обеспечивающий ток катушки на входе (порядка 5мА), он же дает возможность подключать вход к  источникам сигнала самых различных величин. Например,  IL610 может транслировать к 5-вольтовым логическим уровням не только 3-вольтовые уровни, но и уровни 1.7 В, 2.4 В, 24 В, 4-20мА, дифференциальные уровни RS-485 и RS-422. Причем, в отличие от оптоизоляторов,микросхемы IL610 работают от постоянного тока до 75МГц, обеспечивая искажение ширины импульса 3нс, задержку распространения 6нс, стабильность и отказоустойчивость.Микросхемы серии  IL6xx выпускаются в тех же корпусах, что и серия  IL7xx.

На  Рис.7 показан сигма-дельта АЦП с применением в качестве изолятора 3-хканального приемопередатчика IL614. С целью уменьшения занимаемой площади  изоляцию можно обеспечить двумя микросхемами IL610 и IL611 в корпусах MSOP.

 

Рис.7. Изолированный сигма-дельта АЦП с микросхемой IL614

Полезные советы

Развязка по питанию

Оба источника питания изоляторов NVE должны шунтироваться керамическими конденсаторами 47нФ с низким последовательным сопротивлением (ESR) . Развязывающие конденсаторы должны размещаться как можно ближе к выводам питания.

Высоковольтный или миниатюрный корпус?

Серия микросхем IsoLoop выпускается в корпусах различных размеров: от крошечного  MSOP  до широкого SOIC, способного выдержать большее пробивное напряжение. Корпус MSOP способен выдержать 2300 V RMS в течение 1 минуты. Другие типономиналы корпусов испытываются при 2500 VRMS. Для MSOP максимальное рабочее напряжение составляет 130 VRMS,  в то время как для  узкого (0.15") корпуса SOIC - 150 VRMS. Для корпусов  PDIP и  широкого (0.3") SOIC максимальное рабочее напряжение составляет 300 VRMS.