AD converter single ended – convertire un segnale con il pulSAR AD7984

AD converter single ended - convertire un segnale con il pulSAR AD7984

Segnali single-ended convertiti attraverso l’AD Converter differenziale PulSAR AD7984 (datasheet). Design di riferimento che converte un input single-ended in un segnale differenziale con l’AD7984 a 18 bit, PULSAR ADC.

Introduzione ADconverter single ended

Benvenuti a questo modulo introduttivo sulle periferiche analogiche che convertono segnali single-ended attraverso l’ADC differenziale PulSAR AD7984 (datasheet). In questo modulo intende presentare un design riferimento che converte un input single-ended in un segnale differenziale da usare con l’AD7984 a 18 bit, PULSAR ADC, utilizzando anche il driver ADC ADA4941 e l’ADR435 ultra-low noise.

Input single-ended contro differenziali

Molte delle strumentazioni moderne ed applicazioni di controllo dei processi fanno affidamento sui microcontrollori per elaborare i segnali analogici del mondo reale. i sensori convertono un parametro naturale, come temperatura o pressione, in un valore di tensione e/o di corrente. I convertitori analogico/digitale convertono segnali analogici in formato digitale. Con input single-ended un filo è collegato da ognuna delle sorgenti del segnale fino all’interfaccia di acquisizione dati. La misurazione è la differenza tra il segnale e la terra. Anche se gli input single-ended sono generalmente sufficienti per la maggior parte delle applicazioni, essi sono sensibili ad errori causati da disturbi. I problemi dei disturbi possono essere risolti con l’ausilio degli input differenziali. In questo caso, un filo trasporta il segnale mentre l’altro trasporta l’inverso del segnale. Ci sono molte applicazioni che richiedono che segnali analogici single-ended, sia bipolari che unipolari, vengano convertiti attraverso ADC differenziali ad alta risoluzione. Con input differenziali, due cavi di trasmissione del segnale sono collegati a ciascuna delle sorgenti del segnale stesso.

La Tecnica PulSAR

I convertitori analogico/digitali (ADC) a registri ad approssimazione successiva (SAR) utilizzano varie tecniche per ottenere risoluzioni migliori. La famiglia PulSAR® di ADC utilizza tecniche che sfruttano condensatori a commutazione interna per espandere la risoluzione degli ADC SAR a 18 bit. Lo schema illustra uno stage semplificato di input di un ADC PulSAR. L’algoritmo SAR necessita di due fasi per determinare il codice di uscita dell’ADC. La prima fase è quella di acquisizione, sono la SW+ e la SW- sono inizialmente chiuse. Tutti i commutatori sono collegati  agli input analogici IN+ e IN-, così come ogni condensatore viene utilizzato come condensatore di campionamento che acquisisce il segnale analogico dall’input. La seconda fase è quella di conversione dove SW+ e SW- sono aperte. Gli input sono scollegati dai condensatori interni e collegati agli ingressi comparatori. Il circuito risultante è un comparatore instabile. Senza entrare nei particolari dell’algoritmo SAR, la commutazione di ciascuno degli elementi dell’array tra REF e REFGND (partendo dal MSB) riporta il comparatore  in una condizione di bilanciamento e genera inoltre il codice di output rappresentante il segnale di input analogico.

Uno sguardo all’AD7984 (datasheet)

L’AD7984 è un convertitore analogico/digitale a 18 bit ad approssimazioni successive che opera utilizzando una sola sorgente di alimentazione. VDD. Contiene un ADC di campionamento a 18 bit, di bassa potenza ed alta velocità ed una versatile interfaccia seriale. L’AD7984 campiona la differenza di potenziale tra i pin IN+ e IN- durante il fronte di salita di CNV. La tensione su questi pin di solito oscilla in un intervallo di valori che varia da 0V a VREF. La tensione di riferimento REF viene applicata esternamente e può essere impostata indipendentemente dalla tensione di alimentazione VDD. L’interfaccia seriale SPI-compatibile offre anche la possibilità, attraverso l’input SDI, di collegare in cascata svariati ADC su un singolo bus a 3 fili e fornisce un indicatore opzionale per la modalità busy. È compatibile con tensioni pari a 1.8V, 2.5V, 3V e la 5V logica, utilizzando sorgenti di alimentazione VIO separate.

Gli input analogici dell’AD7984
La figura mostra un circuito equivalente alla struttura di input dell’AD7984. I due diodi, D1 e D2, forniscono protezione contro ESD per gli input analogici, IN+ e IN-. È necessario prestare attenzione per assicurarsi che i segnali di input analogici non superino la tensione di riferimento di ingresso (REF) di più di 0.3V. Se l’input del segnale analogico supera quel limite, i diodi divengono forward-biased ed iniziano a condurre corrente. Questi diodi possono gestire una corrente forward-biased fino a 130mA massimo. Comunque, se le alimentazioni del buffer di input fossero diverse da quelle del REF, il segnale di input analogico potrebbe eventualmente eccedere il limite di più di 0.3V. In caso ciò accadesse, come ad esempio nel caso di un buffer di input colpito da un corto-circuito, può essere utilizzata la limitazione di corrente per proteggere il componente.

Pilotaggio dell’AD7984

Anche se l’AD7984 è semplice da pilotare, l’amplificatore di pilotaggio deve possedere i seguenti requisiti. Primo, il rumore generato dall’amplificatore di pilotaggio deve essere tenuto il più basso possibile per preservare lo SNR e le performance del rumore di transizione dell’AD7984. Il rumore del circuito pilota è filtrato dal primo polo del circuito di filtraggio analogico dell’AD7984, un filtro passa basso costituito da RIN e CIN o da un filtro esterno. Per applicazioni AC, il circuito di pilotaggio dovrebbe avere una performance di distorsione armonica totale (THD) proporzionata all’AD7984. Infine, per applicazioni multiplexed a multi-canale, l’amplificatore del circuito di pilotaggio ed il circuito di input analogico dell’AD7984 devono cooperare con uno step full-scale sull’array dei condensatori ad un livello di 18 bit (0.0004%, 4ppm).

Da pilotaggio Single-ended a pilotaggio differenziale con l’ADA4941
Esistono varie applicazioni che richiedono un segnale analogico single-ended, sia bipolari che unipolari, per cui è necessario convertire segnali con un ADC differenziale ad alta risoluzione. L’ADA4941 è un amplificatore ad input single-ended, output differenziale e basso consumo ottimizzato per pilotare ADC ad alta risoluzione. L’ADA4941-1 è configurato in modalità da single-ended a differenziale, ed è semplice da usare. L’amplificatore è composto da un amplificatore libero, A1 che pilota un inverter di precisione, A2. L’input negativo è immesso sul Pin 1 (FB), il che permette un guadagno dal punto di vista della programmazione utente. L’amplificatore operazionale invertente, A2, fornisce un’inversione accurata dell’output di A1, producendo un segnale di uscita invertente.

Pilotaggio dell’AD7984 usando ADA4941

Il circuito mostra il circuito di pilotaggio da single-ended a differenziale ADA4941 per pilotare l’input differenziale dell’AD7984. R1 ed R2 impostano il rapporto di attenuazione tra il range di input ed il range dell’ADC (VREF). R1, R2 e CF vengono scelte in base alla resistenza di input desiderata, all’ampiezza di banda del segnale, all’antialiasing, ed al rumore. Il rapporto tra R2 e R1 dovrebbe essere pari al rapporto REF della tensione di ingresso picco a picco. R3 e R4 impostano il common mode sull’input IN-, mentre R5 e R6 impostano il common mode sull’input IN+ dell’ADC.

Circuito verificato
Il circuito mostrato converte un input single-ended in un segnale differenziale per l’utilizzo con l’AD7984. Il circuito usa il circuito di pilotaggio da single-ended a differenziale ADA4941-1 come discusso precedentemente ed utilizza anche l’ADR435. Durante la conversione, il pin REF viene collegato ad una struttura interna di condensatori commutati. Non c’è un circuito sample-and-hold all’ingresso di riferimento. Ogni rumore che si manifesta qui ha un effetto diretto sul codice di uscita. Per evitare gli errori, un reference molto stabile è cruciale. L’input della tensione di riferimento dell’AD7984, REF, possiede un’impedenza dinamica di input e dovrebbe quindi essere pilotato da una sorgente a bassa impedenza con disaccoppiamento efficiente tra i pin REF e GND. Quando REF viene pilotata da una sorgente ad impedenza molto bassa, è appropriato utilizzare un chip condensatore in ceramica da 10μF (X5R, 0805 size) per performance ottimali.

ad7984_verified_circuit

Alimentazione dell’AD7984
L’AD7984 utilizza due pin di alimentazione: una sorgente per il core (VDD)e un sorgente per l’interfaccia digitale di input/output (VIO). VIO permette l’interfacciamento diretto con ogni tipo di tensione logica tra 1.8V e 5.5V. Per ridurre il numero di sorgenti richieste, VIO e VDD possono essere collegate tra loro. L’AD7984 è indipendente dalla sequenza di alimentazione tra VDD e VIO. In aggiunta, esso è insensibile alle variazioni dell’alimentazione all’interno di un ampio range di frequenze. Per assicurarsi performance ottimali, la VDD dovrebbe essere circa la metà di REF, l’input della tensione di riferimento. PEr esempio, se REF è 5V, VDD dovrebbe essere tarata su 2.5V (±5%).

Risorse aggiuntive

L’AD7984 utilizza due pin di alimentazione: una sorgente per il core (VDD)e un sorgente per l’interfaccia digitale di input/output (VIO). VIO permette l’interfacciamento diretto con ogni tipo di tensione logica tra 1.8V e 5.5V. Per ridurre il numero di sorgenti richieste, VIO e VDD possono essere collegate tra loro. L’AD7984 è indipendente dalla sequenza di alimentazione tra VDD e VIO. In aggiunta, esso è insensibile alle variazioni dell’alimentazione all’interno di un ampio range di frequenze. Per assicurarsi performance ottimali, la VDD dovrebbe essere circa la metà di REF, l’input della tensione di riferimento. PEr esempio, se REF è 5V, VDD dovrebbe essere tarata su 2.5V (±5%).

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