靈活的多通道混合信號(hào)模擬I/O電路構(gòu)建指南

雖然世界繼續(xù)更加數(shù)字化，計(jì)算能力和數(shù)字功能愈發(fā)關(guān)鍵，但測(cè)量環(huán)境和與實(shí)際器件交互的需求仍然是一種模擬功能。為了在數(shù)字和模擬域的邊界運(yùn)行，處理器必須包括混合信號(hào)輸入/輸出，并適應(yīng)更多的軟件可編程范圍，從而支持許多工業(yè)、儀器儀表和自動(dòng)化應(yīng)用。

圖1所示的電路是一個(gè)靈活的多通道混合信號(hào)模擬輸入/輸出(I/O)模塊（下文簡(jiǎn)稱該電路為CN0554）。16個(gè)單端模擬輸出可通過軟件配置，支持范圍為0 V至5 V、±5 V、0 V至10 V和±15 V。8個(gè)全差分模擬輸入通道的輸入范圍為0 V至2.5 V、±13.75 V和0 V至27.5 V，可通過硬件進(jìn)行選擇。

該電路可直接安裝在樹莓派的頂部，為這款受歡迎的單板計(jì)算機(jī)提供模擬I/O接口?？赏ㄟ^Linux工業(yè)輸入/輸出(IIO)框架訪問軟件控制，提供各種調(diào)試和開發(fā)實(shí)用程序，以及支持C、C#、MATLAB、Python等語言綁定的跨平臺(tái)應(yīng)用程序編程接口(API)。

軟件可以在樹莓派上本地運(yùn)行，也可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。模塊的5 V電源通過樹莓派接口連接器提供，不需要額外的電源。所有這些特性使該系統(tǒng)適用于低功耗、本地和遠(yuǎn)程、精密模擬I/O應(yīng)用。

圖 1. CN0554 簡(jiǎn)化功能框圖電路描述 CN0554為精密應(yīng)用提供完整的模擬I/O系統(tǒng)。該電路可細(xì)分為兩個(gè)主要組件：模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)。

模擬輸入

CN0554可通過板載 LT5400外部匹配電阻網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)高達(dá)11倍輸入衰減的模擬輸入電壓范圍。該器件通過跳線選擇增加了模擬輸入電壓范圍。

表1顯示了CN0554的完整跳線配置和相應(yīng)的模擬輸入電壓范圍。

表 1. 模擬輸入范圍

模數(shù)轉(zhuǎn)換

CN0554包含具有可配置模擬輸入的24位Σ-Δ ADC—— AD7124-8 。8個(gè)全差分輸入通道或16個(gè)單端輸入通道可通過軟件配置，并提供可編程增益、濾波器設(shè)置和輸出數(shù)據(jù)速率。

外部基準(zhǔn)電壓可通過跳線進(jìn)行選擇，可以是AD7124-8的內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可以是高精度、低功耗和低噪聲基準(zhǔn)電壓源 ADR4525 的2.5 V輸出。由于基準(zhǔn)電壓漂移直接影響ADC的精度，CN0554使用外部基準(zhǔn)電壓源，因?yàn)榕c內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源相比，其溫度漂移性能更佳。

AD7124-8的Σ-Δ架構(gòu)在小信號(hào)傳感器測(cè)量，甚至工業(yè)等高噪聲環(huán)境中均提供高分辨率和噪聲抑制。輸出數(shù)據(jù)速率的可編程范圍為1.17 SPS至19.2 kSPS，相應(yīng)的測(cè)量分辨率分別為24 nV rms至72 μV rms；有幾種濾波器模式可用。這使得CN0554的分辨率、數(shù)據(jù)速率和噪聲抑制能夠針對(duì)廣泛的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

數(shù)模轉(zhuǎn)換

CN0554包含16個(gè)使用 LTC2688 電壓輸出DAC的單端16位模擬輸出。每個(gè)通道都有一個(gè)內(nèi)部軌到軌輸出緩沖區(qū)，可提供或接收高達(dá)20 mA的電流。

LT8582 為L(zhǎng)TC2688提供±18 V電源軌，使DAC能夠充分利用其高達(dá)±15 V的模擬輸出范圍。每個(gè)通道的輸出范圍可獨(dú)立編程為表2中列出的五個(gè)范圍。基準(zhǔn)電壓可通過軟件編程，可使用內(nèi)部4.096 V，或?qū)DR4525 2.5 V基準(zhǔn)電壓源用于ADC。每個(gè)通道還支持5%的超量程。

表 2. 電壓輸出范圍調(diào)整

切換和抖動(dòng)功能

CN0554同時(shí)支持切換和抖動(dòng)功能。切換功能可以在兩個(gè)不同的DAC代碼之間快速切換DAC輸出，而無需任何SPI事務(wù)，從而消除了通信事務(wù)。示例包括注入一個(gè)小的直流偏置或在通斷狀態(tài)之間獨(dú)立切換。

抖動(dòng)減少了精密應(yīng)用中的量化誤差，并通過在多個(gè)輸出代碼上擴(kuò)展非線性來完成。此功能在許多需要將交流信號(hào)疊加在信號(hào)的平均直流值附近的應(yīng)用中很有幫助。例如，在光學(xué)應(yīng)用中，光路的次級(jí)特性可通過其對(duì)小交流信號(hào)的響應(yīng)來測(cè)量。此外，抖動(dòng)減少了滑閥等機(jī)械系統(tǒng)中的粘滯，加快了滑閥位置變化時(shí)的響應(yīng)速度。

• 切換操作

如圖2所示，每個(gè)通道都支持切換操作，可在通過軟件設(shè)置的兩個(gè)值之間切換輸出電壓。切換由切換信號(hào)控制，該信號(hào)可從樹莓派或內(nèi)部軟件控制寄存器的三個(gè)不同外部數(shù)字輸入（TGP0、TGP1和TGP2）中獲取。其中兩個(gè)數(shù)字信號(hào)TGP0和TGP1連接到樹莓派數(shù)字輸出，支持脈沖寬度調(diào)制(PWM)。

圖 2. 切換和抖動(dòng)操作框圖

圖3顯示了CN0554執(zhí)行的切換操作示例。根據(jù)切換引腳，輸出電壓在零電平和滿量程值之間擺動(dòng)，在1 kHz時(shí)測(cè)量的峰峰值電壓為33.0 V。

圖 3. 零電平至滿量程輸出電壓切換

• 抖動(dòng)操作

在CN0554中，每個(gè)通道還支持將正弦抖動(dòng)信號(hào)添加到模擬輸出的抖動(dòng)操作。正弦曲線是使用查找表生成的，查找表中的值來自等式1。

其中：
n= 0, 1, 2, … N — 1.
N 是信號(hào)周期。
φ0是信號(hào)相位角，初始信號(hào)相位。

CN0554可配置抖動(dòng)信號(hào)的幅度、周期和相位角。

抖動(dòng)信號(hào)的幅度通過軟件設(shè)置，可以在設(shè)置的最大輸出電壓的0%到25%之間。

為了設(shè)置抖動(dòng)頻率，需要抖動(dòng)時(shí)鐘輸入，并且可以從樹莓派的三個(gè)外部數(shù)字輸入TGP0、TGP1和TGP2中選擇。其中兩個(gè)外部輸入TGP0和TGP1連接到樹莓派數(shù)字輸出，具有PWM特性，可輕松配置時(shí)鐘頻率。

抖動(dòng)信號(hào)的頻率通過由4、8、16、32和64軟件可配置分頻器分頻的抖動(dòng)時(shí)鐘輸入來設(shè)置，從而使用等式2來計(jì)算由此產(chǎn)生的抖動(dòng)信號(hào)的頻率：

其中：
f_signal 是產(chǎn)生的抖動(dòng)信號(hào)的頻率。
f_PWM 是PWM時(shí)鐘頻率。
N 是分頻器。

抖動(dòng)相位角可配置為四個(gè)不同的值：0、90、180和270。所有這些參數(shù)有助于精確控制抖動(dòng)DAC通道輸出。

圖4顯示了CN0554在最大信號(hào)周期的中間電平輸出電壓下執(zhí)行的抖動(dòng)操作示例，在1 kHz抖動(dòng)時(shí)鐘下，峰峰值電壓為15.04 V。

圖 4. 最大信號(hào)周期時(shí)的中間電平輸出電壓

圖5顯示了在最小信號(hào)周期的中間電平輸出電壓下執(zhí)行的抖動(dòng)操作，在1 kHz抖動(dòng)時(shí)鐘下，峰峰值電壓為17.6 V。

圖 5. 最小信號(hào)周期時(shí)的中間電平輸出電壓

系統(tǒng)性能

• 模擬輸入噪聲性能

圖6顯示了中間電平輸入(5 V)時(shí)的噪聲特性，圖7顯示了滿量程輸入(10 V)時(shí)的噪聲特性。

圖 6. 中間電平模擬輸入噪聲直方圖

圖 7. 滿量程模擬輸入噪聲直方圖

• 模擬輸出噪聲性能

LT8582的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出經(jīng)過旁路和濾波，以降低噪聲。圖8顯示了零電平輸出時(shí)的交流耦合信號(hào)噪聲，其在14.4 mV時(shí)具有非常低的峰峰值噪聲。

圖 8. 來自 ADC 和 DAC 通道環(huán)回的零電平 AC 耦合噪聲信號(hào)

圖9顯示了中間電平輸出時(shí)產(chǎn)生的13.4 mV峰峰值噪聲。

圖 9. 來自 ADC 和 DAC 通道環(huán)回的中間電平 AC 耦合噪聲信號(hào)

在圖10中，電路板在滿量程輸出時(shí)產(chǎn)生了17.6 mV的最高峰峰值噪聲。

圖 10. 來自 ADC 和 DAC 通道環(huán)回的滿量程 AC 耦合噪聲信號(hào)

• 模擬輸出線性

積分非線性(INL)是指與通過DAC轉(zhuǎn)換函數(shù)端點(diǎn)的直線的最大偏差（單位：LSB）。此外，差分非線性(DNL)是任意兩個(gè)相鄰代碼之間測(cè)得的變化值與理想的1 LSB變化值之間的差異。最大±1 LSB的額定差分非線性可確保單調(diào)性。

圖11顯示了輸出電壓的DNL（單位：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設(shè)置值的對(duì)比。

圖 11. 輸出電壓的差分非線性

圖12顯示了輸出電壓的INL（單位：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設(shè)置值的對(duì)比。

圖 12. 輸出電壓的積分非線性

電源架構(gòu)

CN0554直接從樹莓派40引腳接口連接器獲取電源。圖13顯示了CN0554的完整電源樹。

圖 13. CN0554 電源樹

LT8582是一個(gè)雙獨(dú)立通道開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)樹莓派5 V電源的升壓和反相。

LT8582輸出18 V和-18 V軌，然后用于為ADC和DAC提供必要的電源軌。CN0554還通過LT8582的故障保護(hù)特性提供輸入過壓和過熱保護(hù)。

ADM7160超低噪聲、低壓差穩(wěn)壓器為AD7124-8提供3.3 V模擬電源軌。該穩(wěn)壓器由樹莓派接口連接器上的5 V電源軌供電。AD7124-8數(shù)字I/O電源直接連接到樹莓派的3.3 V電源軌。

LT3090將-18 V電源軌調(diào)節(jié)至-0.1 V，為AD7124-8提供略微為負(fù)的模擬電源。電源軌設(shè)計(jì)成即使在啟用輸入緩沖器的情況下，絕對(duì)模擬輸入電壓也能覆蓋從接地到基準(zhǔn)電壓的整個(gè)范圍。

常見變化 AD7124-4 可用于代替AD7124-8，只有8個(gè)單端和/或4個(gè)差分通道；這降低了無需額外通道的應(yīng)用成本。

LTC2686 是LTC2688的8通道替代品。它具有55 mA的更高輸出驅(qū)動(dòng)電流和用于驅(qū)動(dòng)高容性負(fù)載的補(bǔ)償引腳。

如果只需0 V至5 V的輸出范圍，則LT8582可更換為單一正5 V電源。DAC的替代電源選項(xiàng)可以考慮較低的輸出電流升壓或反相穩(wěn)壓器，因?yàn)殡娐钒逶O(shè)計(jì)為支持所有通道上的全部DAC輸出電流。

此外，還可以根據(jù)應(yīng)用添加低壓差穩(wěn)壓器等升壓或反相穩(wěn)壓器的低噪聲后置調(diào)節(jié)。

電路評(píng)估與測(cè)試 本節(jié)介紹評(píng)估EVAL-CN0554-RPIZ的設(shè)置和程序。如需完整的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 CN0554用戶指南。

設(shè)備要求

• EVAL-CN0554-RPIZ電路評(píng)估板

• 樹莓派4 B型

• 帶HDMI的顯示器

• Micro HDMI轉(zhuǎn)HDMI適配器

• USB鍵盤和鼠標(biāo)

• 16 GB或更大的SD卡

• ADI公司Kuiper Linux鏡像

• 5 V、3 A USB Type-C電源適配器

• 母對(duì)母環(huán)回跳線

• 示波器

• 數(shù)字電壓表（6位或更高）

開始使用

默認(rèn)情況下，CN0554評(píng)估板配置了用于測(cè)試的正確分流位置。訪問EVAL-CN0554-RPIZ用戶指南以驗(yàn)證分流位置。

要執(zhí)行評(píng)估測(cè)試，請(qǐng)按以下步驟操作：

1. 將 EVAL-CN0554-RPIZ 連接到樹莓派，如圖 14 所示。

圖 14. EVAL-CN0554-RPIZ 連接到樹莓派

2. 將具有 Kuiper Linux 鏡像的 SD 卡插入樹莓派。

3. 使用母對(duì)母環(huán)回跳線電纜連接 ADC 輸入和 DAC 輸出通道，如圖 15 所示。

圖 15. 具有環(huán)回連接的 EVAL-CN0554-RPIZ 測(cè)試設(shè)置

4. 將樹莓派的 HDMI 電纜連接到顯示器，然后將鍵盤和鼠標(biāo)連接到 USB 端口。

5. 使用 USB Type-C 電源適配器為樹莓派供電，并等待樹莓派啟動(dòng)。

圖 16. 系統(tǒng)測(cè)試設(shè)置

6. 打開 IIO 示波器，卸下(undock)DMM 和調(diào)試選項(xiàng)卡，如圖 17 所示。

圖 17. IIO 示波器 DMM 和調(diào)試選項(xiàng)卡

7. 在 DMM 窗口中，選擇 ad7124 作為器件并選擇要測(cè)量的通道，例如 ad7124-8:voltage0-voltage1。點(diǎn)擊 Play 按鈕開始測(cè)量。

圖 18. IIO 示波器 DMM 窗口

8. 在調(diào)試窗口中，在“器件選擇”中選擇 ltc2688。在 IIO器件屬性部分，選擇輸出電壓 1 通道并選擇原始屬性。將值設(shè)置為 32768，然后點(diǎn)擊寫入。這應(yīng)該將輸出電壓設(shè)置為 2.5 V 左右，即默認(rèn)輸出范圍 0 V 至 5 V 的一半。

圖 19. IIO 示波器調(diào)試窗口

9. DMM 測(cè)量值應(yīng)顯示約 0.227 V 或 2.5 V 的 1/11，即默認(rèn)輸入電壓衰減。

圖 20. CN0554 模擬 I/O 的環(huán)回測(cè)量