Come utilizzare l’ADC a 8 canali AD7328 (convertitore A/D) in applicazioni single-ended

Come utilizzare l'ADC a 8 canali AD7328 (convertitore A/D) in applicazioni single-ended

Benvenuti a questo corso di specializzazione sulle periferiche analogiche che prevede l’utilizzo dell’ADC a 8 canali AD7328 in applicazioni single-ended.

Uno sguardo all’AD7328 convertitore A/D (datasheet)

L’AD7328 è un convertitore A/D seriale, veloce a 8 canali, con 12 bit plus sign e input bipolare. L’AD7328 può accettare in ingresso segnali di input analogico bipolare. Possiede quattro range di input selezionabili via software, ±10V, ±5V, ±2.5V, e da 0V a +10V. Ogni canale analogico di input può essere programmato in maniera indipendente per uno dei quattro range di input. I canali di input analogici dell’AD7328 posso essere programmati come single-ended, differenziale, o pseudo-differenziale. L’ADC (convertitore a/d) contiene una tensione di riferimento interna di 2.5V, ma permette anche l’utilizzo di una tensione esterna di riferimento. L’ADC (convertitore a/d) possiede un’interfaccia seriale ad alta velocità che può operare con una velocità di throughput di uscita fino a 1 MSPS.

AD7328_overview

Diagramma delle connessioni tipiche del convertitore a/d – AD7328

Le precedente figura mostra un diagramma delle connessioni all’AD7328 (convertitore a/d). In questa configurazione, il pin AGND è collegato al pannello della messa a terra digitale del sistema. L’AD7328 (convertitore a/d) è configurato per operare con una tensione interna di riferimento di 2.5V. È necessario utilizzare un condensatore disaccoppiante da 680nF se viene utilizzata la tensione di riferimento interna. Il pin VCC può essere collegato ad unità di alimentazione operanti a 3V o 5V. VDD e VSS sono le alimentazioni duali per le strutture di input analogico ad alto voltaggio. La tensione in questi pin deve essere uguale o superiore al massimo range di tensioni selezionato sui canali di input analogico. Il pin VDRIVE è collegato alla tensione di alimentazione del microprocessore. La tensione applicata all’ingresso VDRIVE controlla il voltaggio della interfaccia seriale. Gli 8 ingressi analogici dell’AD7328 (convertitore a/d) posso essere programmati per operare in modalità single-ended, differenziale o pseudo differenziale. Discuteremo la configurazione degli ingressi analogici nelle prossime pagine.

Ingressi Analogici dell’AD7328 (convertitore A/D)

Gli 8 ingressi analogici dell’AD7328 (convertitore A/D) possono essere programmati per operare in tre modalità diverse. Durante il funzionamento in modalità single-ended, l’AD7328 possiede un totale di otto ingressi analogici. Ognuno di essi può essere programmato per operare in maniera indipendente ad uno dei quattro range di input analogico. L’AD7328 può essere anche programmato per funzionare con quattro coppie di input differenziali analogici. I segnali differenziali portano alcuni benefici rispetto a quelli single-ended, inclusa l’immunità da rumore basata sul rifiuto di operare in common-mode e su miglioramenti delle performance in caso di distorsione. L’ampiezza del segnale differenziale è la differenza tra il segnale applicato al pin VIN+ ed il pin VIN- per ogni coppia di ingressi differenziali. L’AD7328 può anche operare con quattro coppie di ingressi analogici pseudo-differenziali oppure sette input pseudo-differenziati che si collegano ad un unico pin VIN- comune. Con questa configurazione, i pin VIN+ vengono accoppiati al segnale sorgente ed un’alimentazione DC di input viene applicata al pin VIN-. Gli input pseudo-differenziali separano il segnale di input di messa a terra analogico della messa a terra dell’ADC, permettendo l’eliminazione delle tensioni common-mode della DC.

Struttura degli input analogici

L’AD7328 – un convertitore a/d -(come descritto nel datasheet) può accettare segnali di input bipolare. All’accensione gli ingressi analogici operano come otto canali di input single-ended. Nel caso sia richiesta la modalità differenziale o pseudo-differenziale, è necessario inserire un segnale write nei registri dopo l’accensione per poter modificare la configurazione. La figura mostra il circuito equivalente ad input analogico dell’AD7328 (convertitore a/d) in single-ended mode e in modo differenziale. I due diodi forniscono protezione ESD agli input analogici. Il resistore R1 è un componente fittizio che mostra la resistenza interna del multiplexer di input dello switch track-and-hold. Il condensatore C2 è il condensatore di campionamento. Il componente track-and-hold sull’input analogico dell’AD7328 permette all’ADC di convertire con accuratezza un’onda sinusoidale in ingresso con ampiezza full-scale in un valore digitale con 13 bit di accuratezza.

Scelta dell’amplificatore per il pilotaggio

In applicazioni in cui la distorsione delle armoniche ed il rapporto signal-to-noise sono delle specifiche critiche, l’input analogico dell’AD7328 (convertitore a/d) dovrebbe essere pilotato da una sorgente a bassa impedenza. Sorgenti ad alta impedenza influenzano significativamente le performance AC dell’ADC e possono rendere necessario l’uso di un amplificatore di buffer. Quando nessun amplificatore viene utilizzato per pilotare l’input analogico, l’impedenza della sorgente dovrebbe essere limitata a valori molto bassi. A causa della natura programmabile degli input analogici del convertitore a/d AD7328, la scelta di un amplificatore operazionale per il pilotaggio degli ingressi è una scelta dettata dal tipo di applicazione e dipende dalla configurazione degli ingressi e dai range di tensioni di input selezionati.
L’amplificatore pilota deve essere in grado di gestire uno step full-scale fino a 13 bit di livello, 0.0122%, in meno tempo rispetto al tempo di acquisizione dell’AD7328 (convertitore a/d).

Applicazioni single-ended contro differenziali

Tipicamente per le tensioni di ingresso degli ADC, esistono una serie di formati per gli input dell’ADC che includono input single-ended e differenziali. Input single-ended sono ampiamente usati e rappresentano il metodo più semplice per trasmettere tensioni analogiche attraverso gli input. In applicazioni single-ended, uno degli ingressi è percorso da una tensione variabile che rappresenta il segnale, mentre l’altro ingresso viene collegato alla tensione di riferimento, di solito la messa a terra. Il vantaggio primario di usare input single-ended è che sono necessarie un numero molto ridotto di connessioni per trasmettere segnali multipli. Input single-ended sono ideali se la sorgente del segnale e l’ADC sono vicini l’uno all’altra. Lo svantaggio del loro uso sta nel fatto che gli input single-ended sono più sensibili a rumore accoppiato e DC offsets.
In ogni caso,  un circuito di condizionamento del segnale può ridurre questo problema. Nelle applicazioni differenziali, due fili vengono montati in parallelo, e spesso vengono anche arrotolati tra loro in modo che ricevano la stessa interferenza. In questa configurazione, un filo trasporta il segnale mentre il secondo filo trasporta l’inverso del segnale. I vantaggi del metodo differenziale includono la riduzione del rumore attraverso il rejecting dell’interfaccia common-mode e un migliore range dinamico.

Configurazione single-ended

Questa figura mostra un tipico diagramma di connessione per utilizzare l’ADC in modalità single-ended, dove l’AD797 viene utilizzato come buffer del segnale prima di inviarlo agli input analogici dell’ADC. In questa configurazione l’ADC avrà 8 input analogici di tipo single-ended.

Configurazione da single-ended a differenziale

Le operazioni differenziali richiedono che VIN+ e VIN- vengano pilotate simultaneamente con la stessa ampiezza e con 180° di sfasamento. Il common mode deve essere configurato esternamente. Il range della modalità common mode è determinato dalla tensione REFIN/OUT, dalla tensione di alimentazione VCC, e dal particolare amplificatore utilizzato per pilotare gli input analogici. La modalità differenziale sia con input AC che DC fornisce le migliori performance THD per un ampio range di frequenze. Poichè non tutte le applicazioni lavorano con segnali precondizionati per diverse operazioni, è spesso necessario eseguire un conversione da single-ended a differenziale. Questa conversione può essere eseguita utilizzando una coppia di amplificatori operazionali. La figura mostra come un amplificatore operazionale AD8620 può essere utilizzato per convertire un segnale single-ended in un segnale differenziale che può essere poi applicato agli input analogici dell’AD7328, cosicché l’AD7328 (convertitore a/d) possa essere usato in applicazioni single-ended con operazioni completamente differenziali. Questa configurazione assicura che le impedenze di uscita dell’amplificatore che pilota i pin VIN+ e VIN- combacino; altrimenti, i due input dell’ADC avrebbero dei tempi di regolazione diversi, e questo provocherebbe errori.

single_ended_configuration

Sorgenti delle tensioni di riferimento

L’AD7328 può operare sia con la tensione interna di riferimento del chip di 2.5V che con una tensione applicata esteriormente. La tensione interna viene selezionata impostando il bit REF nel registro di controllo sul valore 1. All’accensione, il bit REF è a 0, per cui verrà selezionata una sorgente esterna di riferimento per la conversione dell’AD7328. La circuiteria interna della tensione di riferimento consiste in un band gap di riferimento di 2.5V ed in un buffer di riferimento. L’AD7328 permette che una tensione esterna di riferimento venga applicata al pin REFIN/REFOUT. Il range di input delle tensioni varia da 2.5V a 3V. L’utilizzo di una tensione di riferimento di 3V piuttosto che una tensione di 2.5V permette all’AD7328 di accettare segnali di input più grandi. Su entrambi i circuiti l’AD780 viene utilizzato come sorgente esterna di riferimento. L’AD780 è una fonte di tensione ad altissima precisione per tensioni da 2.5V a 3V, e questo permette flessibilità nel range delle tensioni selezionate.

Operazioni del convertitore

Il convertitore a/d AD7328 è un ADC ad approssimazioni successive costruito attorno a due DAC capacitivi. Le figure 1 e 2 mostrano schemi semplificati dell’ADC in modalità single-ended durante le fasi di acquisizione e conversione. Le figure 3 e 4 mostrano degli schemi semplificati dell’ADC in modalità differenziale rispettivamente durante le fasi di acquisizione e conversione. In figura 1, SW2 è chiuso e SW1 è in posizione A, il comparatore è impostato su una condizione bilanciata, e l’array dei condensatori di campionamento acquisisce il segnale dall’input. Quando l’ADC inizia una conversione (Figura 3), SW2 si apre ed SW1 si sposta in posizione B, causando il non bilanciamento del comparatore. La logica di controllo ed i DAC di redistribuzione delle cariche vengono utilizzati per aggiungere e sottrarre quantità fisse dai DAC capacitivi per riportare il comparatore in posizione bilanciata. Quando il comparatore è di nuovo bilanciato, la conversione è completa. La logica di controllo genera quindi il codice di output dell’ADC.

converter_operation

Informazioni aggiuntive

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