ADS1251在高精度穩流電源中的應用

謝小峰，郭宏林，楊永鋒

（1.南京祿口國際機場動力技術部，江蘇南京210029；2.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；3.甘肅煙草工業有限責任公司天水分廠，甘肅天水741020）

1 引言

在高精度電源的控制電路中，全數字化的控制調節器已逐步取代傳統的模擬控制電路。而在數字控制器用于調節閉環的反饋回路中，負責電流及電壓等模擬信號采樣的模數轉換器（ADC）成為影響數字調節器性能的關鍵硬件。

通常，在數字化高精度電源中，其數字調節器至少應包含兩個調節環，即電流閉環和電壓閉環。每個調節閉環的反饋回路都需要一個能滿足其精度及速度要求的A／D轉換器。一般來說，電流環和電壓環對于A／D轉換器的需求是不同的，電流環的帶寬窄但是要求的分辨率和穩定度高；電壓環的帶寬比較寬，而對穩定度的要求低于電流環。

對于高精度穩流電源，電流環對輸出電流信號的采集精度及穩定度提出了極高的要求。電流閉環反饋回路中所需的模數轉換器件（ADC）需要盡可能高的分辨率和穩定度。穩流電源中，受調節器帶寬的影響，電流環對速度的要求并不很高。因此△-∑型A／D轉換器是最佳的選擇。從通用的角度考慮，需要選擇允許雙極性輸入的A／D轉換器；而考慮到PCB板的設計及控制軟件設計過程中，具備串行數據接口的A／D轉換器相對更易于實現。

2 ADS1251簡介

△-∑型模數轉換器ADS1251具有高精度、寬動態范圍、低功耗等特點，非常適合用于非高速變化信號的高精度數據實時采集轉換。其分辨率達到24bit，采樣速率最高可達20.8kSPS，其積分非線性誤差（INL）≤15ppm，增益誤差（Gain Error）＜1%，偏移誤差（Offset Error）＜100ppm。綜合考慮以上技術指標，該轉換器是滿足上述高精度穩流電源甚至超高精度穩流電源的電流采樣模數轉換器的最優選擇。

圖1 ADS1251模數轉換電路硬件控制圖

ADS1251采用單一的＋5V電源供電，模擬量使用差分輸入方式，輸出量使用簡便的三線串行接口，可以很方便地與微處理器或數字信號處理器進行連接。此外，該器件為8引腳封裝，外圍電路設計相對簡單，便于PCB設計及布板實現。

3 硬件設計

如圖1所示為ADS1251模數轉換電路硬件控制圖，主要包含模擬量輸入調理電路及串行數字接口電路。本文所述電路中外部數字信號處理器（CPU）使用FPGA。

3.1 模擬量輸入

高精度穩流電源的輸出電流通常使用高精度電流傳感器DCCT檢測并變送為帶寬介于直流至幾百赫茲之間的±10V電壓信號。A／D轉換電路的模擬量輸入端一般使用差分輸入實現共模抑制。輸入端外加一低通RC濾波器以消除高頻噪聲。

圖1所示電路中，模擬量輸入電路的設計使用低噪聲運放OPA350搭成的反向比例放大電路，用高精密電阻保證放大倍數為1：4，這樣可保證差分輸入電壓擺幅達到±10V，以便于接收穩流電源中常見高精度傳感器電流DCCT輸出的±10V電壓信號。OPA350使用可調電源模塊LM317LD生成的＋5.1V作為供電電源，以保證輸出電壓擺幅可在＋0.05V～ ＋5.05V 區間。同時ADS1251也使用此＋5.1V電源供電，因此無需外加輸入電阻或二極管。

基準電壓使用VRE302A生成的＋2.5V，此基準電壓使用運放OPA350電壓跟隨器電路緩沖后送入ADS1251的VREF及-VIN引腳，這樣可保證低阻抗驅動-VIN輸入端。本文所述電路中設計的A／D轉換輸出碼表如表1所示。

表1 A／D轉換碼表

3.2 串行接口

表2 ADS1251串行接口功能描述

ADS1251轉換器使用簡單的三線串行接口進行控制及數據輸出，數據由串行時鐘SCLK控制從數據輸出寄存器（DOR）輸出到DOUT／nDRDY引腳。接口定義如表2所示。

由表2可知，ADS1251需要輸入一個外部時鐘信號CLK，即轉換器的系統采樣時鐘。CLK控制轉換過程，并決定轉換器的采樣率和帶寬。其中，采樣率＝ fCLK／384，-3dB 帶寬＝0.2035＊采樣率。本文所述轉換電路中，采樣時鐘CLK可接入8MHz外部晶體諧振器提供的固定時鐘，或可接入由FPGA分頻后生成的可調時鐘，兩者通過跳線人工選擇。對于8MHz外部固定時鐘，則有：

在ADS1251執行數據轉換的過程中，DOUT／nDRDY引腳保持高電平，當一組新數據轉換完并寫入片內數據輸出寄存器（DOR）供外部微處理器讀取時，DOUT／nDRDY輸出一個低電平脈沖，隨之輸出數據最高位MSB，其余數據位從高到低依次由SCLK控制輸出，每周期輸出一位。此外，當SCLK長期輸入高電平時，ADS1251進入同步模式。

由于ADS1251輸出數字量邏輯電平為＋5V，而數字信號處理器（FPGA）用戶IO引腳的接口電壓為＋3.3V，所以必須使用電平緩沖器件（Buffer）完成＋5V與＋3.3V信號間的電平轉換。如圖1所示，外部時鐘輸入信號CLK和串行時鐘輸入信號SCLK使用74HCT244，DOUT／nDRDY信號輸出使用 74LCX244，74LCX 系列器件使用＋3.3V 電源，可輸入＋5V信號，適合轉換ADS1251輸出信號電平。

4 時序控制

ADS1251的數據轉換從nDRDY上升沿開始，nDRDY信號高電平指示轉換器處于轉換狀態，nDRDY信號低電平指示轉換結束，且轉換數據送入ADC數據輸出寄存器DOR以供讀取。如圖2所示為ADS1251的時序圖。

轉換和數據讀取間的同步由DOUT／nDRDY輸出信號控制。DOUT／nDRDY引腳輸出狀態在數據就緒（nDRDY）和數據輸出（DOUT）間交替轉換。在nDRDY狀態，ADS1251進行數據轉換時DOUT／nDRDY引腳保持高電平。當一組新數據轉換完成并寫入片內數據輸出寄存器（DOR）供外部微處理器讀取時，DOUT／nDRDY引腳先輸出一個寬度為6TCLK的低電平，隨之輸出6TCLK的高電平，此時數據就緒可供讀取，即進入DOUT狀態，并輸出數據最高位MSB；在DOUT狀態，數據從高位到低位依次由SCLK控制輸出，每周期輸出一位。即在SCLK上升沿時數據有效，SCLK下降沿時下一位數據被移至DOUT輸出引腳。

圖2 ADS1251時序圖

24個SCLK周期后，24位數據完全從DOR中移出，之后DOUT／nDRDY保持為低電平，直到下次轉換啟動時變為高電平，重新進入nDRDY狀態。因此，外部微處理器必須在一次新的轉換過程啟動之前讀取所有數據位。

圖3 ADS1251控制流程圖

一次完整的轉換需要384個系統周期，其中36個周期是nDRDY狀態，348個周期是DOUT狀態，所以有充足的時間進行所有24位串行數據的讀取。在本系統中使用8MHz外部系統時鐘，則可用于數據讀取的有效時間為：

在整個數據讀取過程中，外部微處理器與DOUT／nDRDY信號的同步至關重要，否則可能在讀出最低位數據（LSB）之前使DOUT／nDRDY引腳狀態進入nDRDY狀態（高電平）導致LSB讀數錯誤。如圖3所示為FPGA內ADS1251的狀態控制流程圖，在對ADS1251的時序圖和工作原理分析的基礎上，通過該流程對ADS1251數據轉換和讀取進行控制。該程序由硬件描述語言VHDL實現。

程序開始后，當FPGA檢測到ADS1251的nDRDY引腳輸出一個上升沿和一個下降沿后，在nDRDY進入低電平狀態下開始對CLK計數，在此過程中，FPGA可同時測到該時鐘CLK的頻率。由于nDRDY在最高數據位MSB輸出前保持6TCLK低電平和6TCLK的高電平，那么正確檢測到CLK頻率后，可對上述6TCLK的高電平時間延長等待至少一個時鐘周期（≥7TCLK）后再進行讀數，就可保證讀取到正確有效的MSB，其余數據位可在SCLK控制下依序有效讀取。

數據讀取過程使用位計數器（Bit Counter）和SCLK配合控制。當MSB讀出后，FPGA控制位計數器進行減計數并控制SCLK輸出下降沿，此時下一位數據由ADS1251的輸出寄存器DOR送到DOUT引腳，依次重復以上循環直到完成24位數據的讀取后進入下一次同步循環。

5 ADS1251轉換精度及穩定度測試

為檢驗上述ADS1251模數轉換電路性能，使用16位（對應精度15ppm）DAC器件AD5542隨機輸出恒定模擬電壓4.987V，由ADS1251模數轉換電路對此電壓連續采集轉換1小時，采樣結果如圖4所示。圖4中數據已按碼表人工換算為采集到的電壓值，以便觀察采集轉換的準確性及精度。

圖4 ADS1251模數轉換1小時穩定度

圖5 穩流電源4小時電流穩定度測試

一小時數據中，采集轉換得到最小值為3FD4D3（HEX），據轉換碼表得到電壓為4.9868238 V；最大值為 3FD652（HEX），對應電壓為 4.9872804 V，則可計算得其轉換穩定度 ＝（4.9872804-4.9868238）／（4.9872804 ＋ 4.9868238）＝45ppm。可見其精度及穩定度均可滿足高精度穩流電源閉環反饋通道A／D轉換的需求。

6 穩流電源閉環控制應用測試

為檢測本文模數轉換電路在數字化高精度穩流電源中閉環反饋數據采集的性能，特使用小容量（220W，IN＝10A）Chopper電路開關電源進行整體性能測試，控制電路調節方式為電流單閉環調節。電源主回路的功率器件使用SKM75GB123D 1200V／75A IGBT，輸出電流傳感器使用LA25-NP，通過外圍硬件對LA25-NP變比進行設置，使傳感器信號變送關系為滿量程±10V對應輸出電流±20A。

調整電源給定值，使電源穩流輸出3.086A，持續工作4小時并自動記錄ADS1251采集轉換得到的數據，得到測試結果如圖5所示。

其中，ADS1251轉換電路采集到輸出最小值為 1.54348103 V ，最大值為 1.54358961 V，則電源輸 出 電 流 穩 定 度 ＝（1.54358961-1.54348103）／（1.54358961＋1.54348103）＝ 35ppm。

7 結束語

本文針對數字化高精度穩流電源為對象，研究了高精度、低噪聲模數轉換芯片ADS1251在其電流閉環反饋通道中數據采集轉換的應用實現，重點說明了應用中ADS1251轉換電路的硬件設計及時序控制。實驗結果表明，該芯片完全可滿足高精度穩流電源對反饋數據采集高精度及高穩定度的需求，對高精度甚至超高精度穩流電源中反饋量模數轉換的設計實現具有實際意義。

［1］Datasheet：Burr-Brown （TI）ADS1251，24-Bit 20kHz Lower Power Analog-to-Digital Converter.

［2］Application Report：Burr-Brown （TI）Understanding the ADS1251，ADS1253，and ADS1254 Input Circuitry.