Designbeschreibung

Dieser Schaltkreis führt eine isolierte Spannungsmessung von ±12 V mit dem isolierten ISO224-Verstärker, TLV9002-Operationsverstärker und dem ADS7142-SAR-ADC durch. Der ISO224 kann unsymmetrische Signale von ±12 V mit einer festen Verstärkung von ⅓ V/V messen und erzeugt eine isolierte Differenzausgangsspannung von ±4 V mit einer Gleichtaktspannung von VDD2 / 2. Kanal 1 der TLV9002 konditioniert den Ausgang des ISO224, um zum Eingangsbereich des ADS7142 zu passen, während Kanal 2 den ISO224 ausfallsicheren Ausgang überwacht. Der ADS7142 ist ein zweikanaliger ADC mit einer Vollausschlag-Eingangs- und Referenzspannung von AVDD, die von 1,65 V bis 3,6 V reichen kann. Für diese Cookbook-Schaltung wird der ADS7142 Zweikanal-Eingang in einer pseudo-differenziellen Konfiguration verwendet, die es ermöglicht, sowohl positive als auch negative Signale vom ISO224 zu messen . Dieser Schaltkreis eignet sich für viele industrielle Hochspannungsanwendungen, wie Zugsteuerungs- und Managementsysteme, Analogeingangsmodule und Inverter und Motorsteuerung. Die Gleichungen und Erklärungen zur Komponentenauswahl in diesem Design können auf der Grundlage der Anforderungen und Systemspezifikationen des Endgerätes angepasst werden.

Spezifikationen

Designhinweise

1. Der ISO224 wurde aufgrund des großen Eingangsbereichs, der flexiblen Leistungskonfiguration und der hohen Genauigkeit ausgewählt.
2. Der ADS7142 wurde aufgrund des sehr geringen Stromverbrauchs, des hohen Integrationsgrads, flexibler Stromversorgungskonfigurationen und der geringen Größe ausgewählt.
3. Der Operationsverstärker TLV9002 wurde für die Kostenoptimierung, Konfigurationsoptionen und geringe Größe ausgewählt.
4. Wählen Sie Quellen mit niedriger Impedanz und geringem Rauschen für AVDD, V_CM und den pseudo-differenziellen Eingang an AINN aus, der die Gleichtaktspannung des A/D-Wandlers festlegt.
5. Ermitteln Sie den Gesamtbereich und die Gleichtaktspezifikationen des A/D-Wandlers. Dies wird in der Komponentenauswahl besprochen.
6. Wählen Sie einen COG-Kondensator für C_FILT, um Verzerrungen zu minimieren.
7. Um die beste Leistung zu erzielen, sollten Sie einen Schichtwiderstand von 0,1 % 20 ppm/°C für R_FILT1,2 oder besser verwenden, um Verzerrungen zu minimieren.
8. In Verstehen und Kalibrieren von Offset und Verstärkung für ADC-Systeme werden Methoden zur Fehleranalyse erläutert. Unter dem Link finden Sie Methoden zur Minimierung von Verstärkungs-, Offset-, Drift- und Rauschfehlern.
9. In der Schulungsvideoreihe TI Precision Labs – ADCs werden Methoden zur Auswahl der Ladeschaltkreise R_FILT und C_FILT behandelt. Diese Komponentenwerte sind von der Verstärkerbandbreite, der Abtastrate des Datenwandlers und dem Design des Datenwandlers abhängig. Die hier gezeigten Werte bieten eine gute Einschwingleistung und AC-Leistung für den Verstärker und den Datenwandler in diesem Beispiel. Wenn das Design geändert wird, muss ein anderer RC-Filter ausgewählt werden. Eine Erklärung zur Auswahl des RC-Filters für optimale Einschwingeigenschaften und beste AC-Leistung finden Sie in Einführung zur Auswahl der SAR-ADC-Frontend-Komponenten.

Komponentenauswahl

1. Wählen Sie einen isolierten Verstärker anhand des Eingangsspannungsbereichs aus, und legen Sie die Ausgangsgleichtaktspannung und den Ausgangsspannungsbereich fest:

   Die ISO224-Netzteile können 4,5 V bis 18 V für die Highside-Stromversorgung und 4,5 V bis 5,5 V für die Low-Side-Stromversorgung sein. Der ISO224 besitzt einen unsymmetrischen Eingangsbereich von ±12 V mit einer festen Verstärkung von ⅓V/V und ergibt einen Differenzausgang von ±4 V bei einer Gleichtaktspannung von VDD2 / 2, 2,5 V für dieses Beispiel:

   $\frac{{\pm 12\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{l}\mathrm{e}-\mathrm{E}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{d}}}{3}=\pm {4\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T},\mathrm{D}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{f}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}}\mathrm{ }\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{ }2.5\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{D}2}}{2}\right)\mathrm{ }\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{m}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{n}-\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}$
2. Wählen Sie einen ADC mit geringer Größe und geringem Stromverbrauch:

   Der ADS7142 ist ein kleiner, energieeffizienter Zweikanal-ADC, der in einer pseudodifferenziellen Konfiguration verwendet werden kann. Der maximale Eingangsbereich wird durch die Referenzspannung festgelegt und ist gleich AVDD, 3,3 V für dieses Beispiel:

   ${\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{C}}_{\mathrm{F}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{l}-\mathrm{S}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{e}}=\mathrm{ }{\mathrm{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}}=\mathrm{A}\mathrm{V}\mathrm{D}\mathrm{D}=3.3\mathrm{V}$

   Ermitteln Sie die erforderliche Gleichtaktspannung des A/D-Wandlers für pseudodifferenzielle Messungen:

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}}}{2}=1.65\mathrm{V}$
3. Wählen Sie einen Operationsverstärker aus, der den differenziellen 2,5 V-Gleichtaktausgang des ISO224 mit ±4 V in den 3,3 V pseudodifferenziellen 1,65 V-Gleichtakteingang des ADS7142 umwandeln kann. Darüber hinaus sollte ein Operationsverstärker mit einem zweiten Kanal gewählt werden, der die ausfallsichere Ausgangsfunktion des ISO224 überwachen kann.

   Der TLV9002 ist ein 2-kanaliger Verstärker mit Rail-to-Rail-Eingang und -Ausgang, der für kostensensible und kompakte Anwendungen optimiert ist.

   Kanal 1 wird verwendet, um den ±4 V Differenzial-, 2,5 V Gleichtakt-Ausgang des ISO224 in einen 3,3 V-Spitzen-Pseudo-Differenzialausgang mit einer Gleichtaktspannung von 1,65 V zu konvertieren. Bei R1 = R4 und R2 = R3 wird die Übertragungsfunktion durch folgende Gleichung eingestellt:

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\mathrm{P}}\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\mathrm{N}}\left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_2}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}$

   Das Signal muss von ±4 V auf 3,3 V konvertiert werden, das heißt, das Signal muss um den Faktor 3,3 V / ±4 V = 3,3 V / 8 V reduziert werden. Wird V_CM durch den zuvor berechneten Wert 1,65 V ersetzt und R2 und R3 auf 10 kΩ gesetzt, ergeben sich die folgenden Gleichungen:

   $3.3\mathrm{V}=4\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)+1.65\mathrm{V}\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }0\mathrm{V}=-4\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)+1.65\mathrm{V}$

   Das Lösen nach R1 und R4 ergibt Werte von 4.125 kΩ.

   Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im Anwendungshinweis Anbindung eines (isolierten) Verstärkers mit Differenzausgang an einen A/D-Wandler mit unsymmetrischem Eingang.

   Kanal 2 des TLV9002 wird zur Überwachung der ausfallsicheren Ausgangsfunktion des ISO224 verwendet. Die ausfallsichere ISO224-Ausgangsfunktion wird aktiviert, wenn unabhängig vom Eingangssignal am V_IN-Kontakt die High-Side-Stromversorgung (VDD1) fehlt. Der TLV9002-Kanal-2-Ausgang (VCOMP) wird an einen GPIO-Port des Systemcontrollers eingespeist und wird immer dann hochgesetzt, wenn die ausfallsichere Ausgangsfunktion aktiv ist. Weitere Details finden Sie im Anwendungshinweis zur Funktion Fail-Safe Output.

4. Wählen Sie R_1FILT, R_2FILT, und C_FILT für das Einschwingverhalten des Eingangssignals und der Abtastrate von 140 kSPS:

   Refine the R_FILT and C_FILT Values ist ein Video von TI Precision Labs, das die Methodik zur Auswahl von R_FILT und C_FILT zeigt. Der endgültige Wert von 1,1 kΩ und 330 pF lag deutlich unter einem halben niedrigstwertigen Bit (LSB) innerhalb des Erfassungsfensters.

Simulation der Einschwingung des ADC-Eingangs bei Transienten

Die folgende Simulation zeigt die Ergebnisse des Einschwingvorgangs bei einer Erfassungszeit von 5.3 μs. Die Rauschleistung 88 μV liegt deutlich innerhalb der 0,5 × LSB-Grenze von 403 μV. Detaillierte theoretische Informationen zu diesem Thema finden Sie unter Verfeinern der Rfilt- und Cfilt-Werte.

Link zu Schlüsseldateien

TINA-Dateien für isoliertes Design: SBAC226

Design vorgestellter Bausteine