高精度隔離模數轉換器電路的設計與驗證

王林 羅興科 魏來 周天熠

摘 要：本文介紹了一種新型高精度隔離模數轉換器，它具有采集精度高、輸入量程自適應能力強，易于小型化等優點，本文詳細介紹了新型隔離模數轉換器CGF1211應用電路的技術特點，工作原理和驗證手段。經驗證，新型隔離模數轉換器在信息采集領域有著很好的應用前景和應用價值。

關鍵詞：隔離模數轉換器；高精度；設計與驗證

1 隔離模數轉換器簡介

傳統隔離放大器（如BB-3656、CGF0711）實現了輸入與輸出之間以及電源與輸入、輸出之間的電氣隔離，能在輸入、輸出之間有很高電位差的條件下工作，具有很高的隔離模抑制比。但因為輸入、輸出都是模擬信號，存在著諸如線性度較低、僅支持單路模擬輸入、外圍分立電子元器件多、生產調試復雜、用計算機進行信號采集處理接口困難等缺點。

近年來，隨著國內元器件廠家技術實力和制造水平的不斷提高，新型隔離模數轉換器的國產化進程也在飛速發展。近年來，涌現出了一批性能較為出色的產品，CGF1211是其中的典型代表。CGF1211 是一款隔離型串行輸出模數轉換器，支持4路-5V～+5V模擬輸入通道，快速逐次逼近型A/D轉換，12bit串行數據輸出。可實現輸入地、輸出地與電源地的三端隔離。該器件的主要優點是：線性度高、實現多路并行轉換、測量精度高、隔離性能好、價格便宜等。

2 CGF1211電路設計原理

CGF1211作為一款新型隔離模數轉換器，采用A/D轉換形式，保證很好的線性度。A/D轉換結果數字化串行輸出，減少器件引出線數量，且支持多路模擬通道輸入。具有數字化邏輯電平輸入/輸出，控制和數據讀出操作簡單方便。輸入、輸出和電源三端隔離，隔離效果好。CGF1211功能框圖如圖1所示。

圖1 CGF1211功能框圖

2.1 工作原理

首先輸入CONVST的上升沿，啟動A/D的逐次逼近過程。在轉換啟動后，在內部時鐘的控制下，A/D進行模數轉換過程，最大轉換時間為6μs，轉換結束后，轉換結果可以通過串行口輸出。為了獲得最佳的性能，A/D要求在下一次CONVST的上升沿600 ns之前，結束A/D的串行讀操作。需要注意的是：A/D每次串行輸出的數據為16位，串行輸出數據位的順序為先輸出4位“0”，然后以高位在前，低位在后的次序輸出12位轉換結果。轉換啟動信號控制器端口給出，該端口直接接到A/D的CONVST，從而啟動A/D轉換。由于A/D采用8腳封裝，引腳數量受到限制，故沒有指示轉換結束的狀態信號，這時可采用軟件延時的方法，保證在CONVST上升沿后6μs時開始進行串行數據讀操作，還要用軟件保證下一次轉換在串行讀數據結束后600 ns才開始，以上為控制轉換及串行通信讀數據的時序。

表1 數字編碼規則

模擬輸入 轉換輸出數字代碼

+FSR/2—1LSB 011┄┄110—011┄┄111

GND 111┄┄111—000┄┄000

-FSR/2+1LSB 100┄┄000—100┄┄001

模數轉換器的滿量程范圍FSR=10V（-5V—+5V），12bit串行輸出數據是補碼形式，輸出數字量編碼規則如表1所示。

2.2 數字隔離傳輸部分

采用高速CMOS和單片空芯變壓器技術的數字隔離器芯片，相比于光耦器件，后者每個單元的驅動電流至少要5mA以上，而數字隔離器4個單元的耗電≤2.8mA，工作溫度范圍-40℃～+105℃，最大數據速率1Mbps，最大傳輸延遲時間100nS，邏輯高、低電平輸入輸出，隔離電壓可達2kV，隔離效果好。

2.3 多片并聯采集技術

CGF1211還設置了片選端CS，CS=0 串行數據輸出端SDATA為高阻狀態，CS=1，該器件被選中，可從串行數據輸出端SDATA讀出數據。使用中可多片并接控制，多片輸出端SDATA并接分時讀出，配合CGF1212隔離電源芯片，輸出2組互相隔離的+5V、+6.5V、-6.5V電壓，對多塊CGF1211提供隔離工作電源，可以將多塊CGF1211并聯運行，工作原理圖見圖2，提高了測量的集成度，降低了系統使用成本。

圖2 多片CGF1211并聯工作原理圖

3 CGF1211在信息采集系統中的應用

為驗證新型隔離模數轉換器的性能水平，我們設計了如下驗證平臺，總體架構如圖3所示：

圖3 新型模擬信號隔離采集設計架構圖

為了實現數字化的隔離采集輸出，首先要在輸入端實現預處理。后端采用了自適應處理技術，實現了產品的小型化、智能化。自適應處理的硬件部分選用AT89C51單片機作為運算處理單元，在保證實用性的同時提高數據的處理精度[1]。

經測試，隔離型串行模數轉換器CGF1211可以實現高速、高精度、多路并行模擬信號處理。與傳統芯片相比，CGF1211存在著如下優勢：

1）采樣精度達到12bit。

2）線性度好，滿量程誤差≤2LSB。

3）提供多路模擬通道輸入，降低了使用成本。

4）使用電子元件集成度高，生產調試方便。

5）分立電子元器件數量很少，提高了可靠性。

6）可多片并接控制，多片輸出端SDATA并接分時讀出。

4 結論

新型隔離模數轉換器放大器具有采集精度高、輸入量程自適應能力強，易于小型化等的優點。本文對新型隔離模數轉換器CGF1211的設計原理、功能及應用驗證中的相關問題進行了深入研討。經驗證，作為模擬信號采集領域的前沿技術，提高了采集精度、集成度水平，降低了使用成本，社會效益和經濟效益良好。

參考文獻

[1]陳玲等.12位A/D轉換器AD7893及與89C51的接口[J].應用科技，2002，29（10）：14-15.