ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ АЦП

Дифференциальные АЦП имеют положительный (V_IN+) и отрицательный (V_IN–) аналоговые входы, управляемые двумя одинаковыми противофазными сигналами. Для полного использования входного динамического диапазона АЦП максимальная амплитуда каждого из этих сигналов должна быть равна опорному напряжению (V_REF) АЦП. При работе происходит преобразование только разности входных сигналов, а синфазные сигналы (например, шум) подавляются.

Синфазное напряжение, подаваемое на АЦП, определяется значением, относительно которого дифференциальные аналоговые входы сцентрированы. Уровень опорного напряжения определяет диапазон этого значения. Когда совершается аналого-цифровое преобразование, АЦП подавляет это синфазное напряжение.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

Использование дифференциальных сигналов в системах сбора данных становится необычайно популярным потому, что такие сигналы в высокой степени защищены от шума подавлением синфазной составляющей в дифференциальных АЦП. Шум подмешивается в сигналы, когда они передаются по печатным платам или по длинным кабелям, но этот шум не создает помех при аналого-цифровом преобразовании, потому что дифференциальный АЦП подавляет синфазные сигналы. Поскольку в дифференциальных сигналах уменьшаются четные гармоники, они также обеспечивают более правильную передачу формы сигнала, чем однопроводные. Другое преимущество состоит в том, что дифференциальные сигналы удваивают динамический диапазон АЦП. Некоторые датчики имеют выходные дифференциальные сигналы, и дифференциальные АЦП могут преобразовывать такие сигналы без особых затрат, особенно если входной диапазон АЦП невелик.

Тем не менее, есть задачи, в которых не имеется сигналов, предназначенных для дифференциальных действий. Поэтому до дифференциального аналого-цифрового преобразования необходимо выполнить преобразование однопроводного сигнала в дифференциальный для обеспечения требуемого типа входного сигнала АЦП. Это преобразование делается тремя способами:

• Использование дифференциального усилителя

• Использование сдвоенного усилителя

• Использование высокочастотного трансформатора.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Хорошим методом качественного преобразования однопроводного сигнала в дифференциальный для управления АЦП является использование дифференциального усилителя (рис. 1). В этой схеме в качестве усилителя используется AD8138 – усилитель с низким уровнем искажений и широкой полосой, и его можно использовать либо в качестве преобразователя с усилением однопроводного сигнала в дифференциальный, либо как усилитель дифференциального сигнала. Этот усилитель лучше использовать с двуполярным входным сигналом. В нем предусмотрен сдвиг синфазного уровня и буфферизация входного сигнала.

На рис. 1 двуполярный однопроводный сигнал с амплитудой, равной удвоенному опорному напряжению, управляет положительным входом AD8138. Опорное напряжение АЦП, формируемое внешним источником, подается также на вывод V_OCM усилителя для обеспечения синфазного смещения выходных дифференциальных напряжений. Положительный и отрицательный выходные сигналы подключенны к входам АЦП через RC-цепи, минимизирующие эффекты от переходных токов, возникающих из-за переключений входных емкостей АЦП. Низкочастотные RC-фильтры необходимо использовать у каждого входного вывода для фильтрации высокочастотных компонентов аналогового сигнала. Выходные сигналы усилителя имеют одинаковую амплитуду и точно сфазированы (противофазны), что и требуется для работы АЦП.

Основной выигрыш при использовании дифференциального усилителя состоит в том, что необходимо применять только один преобразователь однопроводного сигнала в дифференциальный. Кроме того, осуществляется буфферизация двуполярного входного сигнала и задание сдвигового синфазного уровня. Если амплитуда входного сигнала недостаточна для полного использования входного диапазона АЦП, то выходной дифференциальный сигнал можно усилить, изменив соотношение резисторов в цепи обратной связи.

При этом напряжение синфазного уровня не изменяется. Структура AD8138 обеспечивает хорошо сбалансированные выходные сигналы без использования дополнительных внешних компонентов. Дифференциальный усилитель может работать с однополярным напряжением питания +3...+5 В, что соответствует напряжению питания АЦП. При таком питании входной сигнал может оставаться двуполярным, поэтому эта схема хорошо подходит для приложений, использующих однополярное питание при двуполярном входном сигнале.

УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ СХЕМЫ НА СДВОЕННОМ ОУ

Другой метод преобразования однопроводного сигнала в дифференциальный состоит в использовании сдвоенного операционного усилителя. При этом возможны различные варианты построения схемы. Один из таких вариантов преобразует двуполярный сигнал, сцентрированный относительно нуля, в дифференциальный сигнал, сцентрированный относительно опорного напряжения АЦП (рис. 2а). В другом варианте происходит преобразование однополярного сигнала (рис. 2б).

Различие между двуполярным и однополярным вариантами незначительно. В обеих схемах точка А устанавливает напряжение синфазного уровня выходного дифференциального сигнала и одинаково подключается к источнику опорного напряжения. Напряжение синфазного уровня можно установить и другим, но оно должно находиться в пределах от нуля до верхней границы входного диапазона АЦП. При смещении синфазного уровня от уровня опорного напряжения, естественно, сужается рабочий диапазон. В обеих схемах для уменьшения воздействия от переключения входных конденсаторов АЦП используются низкоомные резисторы, последовательно соединенные с входами. Схема со сдвоенным ОУ является лучшей для схем с непосредственной связью по постоянному току, в которых требуются наименьшие искажения сигнала.

К выбору сдвоенного операционного усилителя необходимо подходить очень внимательно. Этот выбор зависит от требуемого напряжения питания, полосы сигнала и качественных характеристик схемы. Кроме того, усилитель не должен ухудшать качественные характеристики АЦП. В схеме (рис. 2) используется высокоскоростной, широкополосный сдвоенный ОУ AD8022. Этот операционный усилитель имеет прекрасные шумовые характеристики, вносит весьма незначительные искажения и не ухудшает характеристик АЦП. Кроме того, он может работать при однополярном питании +5 В, что позволяет объединить его питание с питанием АЦП AD7450.

Основным доводом выбора варианта со сдвоенным ОУ для преобразования однопроводного сигнала в дифференциальный для управления АЦП является, в основном, комплексные качественные требования. Дифференциальный усилитель может не обладать достаточными качественными характеристиками, требуемыми схемой в целом, а его использование может быть более дорогим, чем использование сдвоенного ОУ. Также, в схеме со сдвоенным ОУ низкоуровневые гармоники, присутствующие в каждом усилителе, подавляют друг друга, что делает выходной сигнал более чистым и сбалансированным. В настоящее время качественные сдвоенные операционные усилители в корпусах малых размеров широко доступны и составляют конкуренцию дифференциальным усилителям с точки зрения площади, занимаемой на печатной плате.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ ВЧ-ПРИЛОЖЕНИЙ

В схемах, требующих развязки по постоянному току, хорошим решением для преобразования однопроводного сигнала в дифференциальный для управления АЦП является применение высокочастотного трансформатора с выведенной средней точкой вторичной обмотки (рис. 3). В этом примере напряжение, подаваемое на среднюю точку, равно опорному напряжению АЦП и устанавливает синфазный уровень дифференциального сигнала. Преобразование и управление дифференциальным АЦП с помощью трансформатора является наиболее простым из рассмотренных вариантов и не вносит дополнительного шума и искажений. Применение трансформатора позволяет осуществить развязку по постоянному току между источником сигнала и АЦП, а также использовать меньшее количество внешних компонентов по сравнению с предыдущими вариантами.

ДРУГИЕ ПОЛЕЗНЫЕ ПОДСКАЗКИ

При непосредственном управлении дифференциальными входами АЦП, необходимо обеспечить согласование выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления АЦП. В противном случае, возникающие ошибки смещения будут влиять на точность в процессе аналого-цифрового преобразования. При использовании дифференциального или сдвоенного усилителя усиление обоих дифференциальных каналов должно быть одинаковым (в расчете должен участвовать и выходной импеданс источника сигнала), что предполагает использование прецизионных резисторов или резисторых сборок с малым разбалансом характеристик.При разводке дифференциальных сигналов на печатной плате необходимо следить за тем, чтобы длина их проводников была одинаковой и располагались они возможно ближе друг к другу для уменьшения противофазных искажений.