ADS1251在高精度稳流电源中的应用

谢小峰，郭宏林，杨永锋

（1.南京禄口国际机场动力技术部，江苏南京210029；2.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020；3.甘肃烟草工业有限责任公司天水分厂，甘肃天水741020）

1 引言

在高精度电源的控制电路中，全数字化的控制调节器已逐步取代传统的模拟控制电路。而在数字控制器用于调节闭环的反馈回路中，负责电流及电压等模拟信号采样的模数转换器（ADC）成为影响数字调节器性能的关键硬件。

通常，在数字化高精度电源中，其数字调节器至少应包含两个调节环，即电流闭环和电压闭环。每个调节闭环的反馈回路都需要一个能满足其精度及速度要求的A／D转换器。一般来说，电流环和电压环对于A／D转换器的需求是不同的，电流环的带宽窄但是要求的分辨率和稳定度高；电压环的带宽比较宽，而对稳定度的要求低于电流环。

对于高精度稳流电源，电流环对输出电流信号的采集精度及稳定度提出了极高的要求。电流闭环反馈回路中所需的模数转换器件（ADC）需要尽可能高的分辨率和稳定度。稳流电源中，受调节器带宽的影响，电流环对速度的要求并不很高。因此△-∑型A／D转换器是最佳的选择。从通用的角度考虑，需要选择允许双极性输入的A／D转换器；而考虑到PCB板的设计及控制软件设计过程中，具备串行数据接口的A／D转换器相对更易于实现。

2 ADS1251简介

△-∑型模数转换器ADS1251具有高精度、宽动态范围、低功耗等特点，非常适合用于非高速变化信号的高精度数据实时采集转换。其分辨率达到24bit，采样速率最高可达20.8kSPS，其积分非线性误差（INL）≤15ppm，增益误差（Gain Error）＜1%，偏移误差（Offset Error）＜100ppm。综合考虑以上技术指标，该转换器是满足上述高精度稳流电源甚至超高精度稳流电源的电流采样模数转换器的最优选择。

图1 ADS1251模数转换电路硬件控制图

ADS1251采用单一的＋5V电源供电，模拟量使用差分输入方式，输出量使用简便的三线串行接口，可以很方便地与微处理器或数字信号处理器进行连接。此外，该器件为8引脚封装，外围电路设计相对简单，便于PCB设计及布板实现。

3 硬件设计

如图1所示为ADS1251模数转换电路硬件控制图，主要包含模拟量输入调理电路及串行数字接口电路。本文所述电路中外部数字信号处理器（CPU）使用FPGA。

3.1 模拟量输入

高精度稳流电源的输出电流通常使用高精度电流传感器DCCT检测并变送为带宽介于直流至几百赫兹之间的±10V电压信号。A／D转换电路的模拟量输入端一般使用差分输入实现共模抑制。输入端外加一低通RC滤波器以消除高频噪声。

图1所示电路中，模拟量输入电路的设计使用低噪声运放OPA350搭成的反向比例放大电路，用高精密电阻保证放大倍数为1：4，这样可保证差分输入电压摆幅达到±10V，以便于接收稳流电源中常见高精度传感器电流DCCT输出的±10V电压信号。OPA350使用可调电源模块LM317LD生成的＋5.1V作为供电电源，以保证输出电压摆幅可在＋0.05V～ ＋5.05V 区间。同时ADS1251也使用此＋5.1V电源供电，因此无需外加输入电阻或二极管。

基准电压使用VRE302A生成的＋2.5V，此基准电压使用运放OPA350电压跟随器电路缓冲后送入ADS1251的VREF及-VIN引脚，这样可保证低阻抗驱动-VIN输入端。本文所述电路中设计的A／D转换输出码表如表1所示。

表1 A／D转换码表

3.2 串行接口

表2 ADS1251串行接口功能描述

ADS1251转换器使用简单的三线串行接口进行控制及数据输出，数据由串行时钟SCLK控制从数据输出寄存器（DOR）输出到DOUT／nDRDY引脚。接口定义如表2所示。

由表2可知，ADS1251需要输入一个外部时钟信号CLK，即转换器的系统采样时钟。CLK控制转换过程，并决定转换器的采样率和带宽。其中，采样率＝ fCLK／384，-3dB 带宽＝0.2035＊采样率。本文所述转换电路中，采样时钟CLK可接入8MHz外部晶体谐振器提供的固定时钟，或可接入由FPGA分频后生成的可调时钟，两者通过跳线人工选择。对于8MHz外部固定时钟，则有：

在ADS1251执行数据转换的过程中，DOUT／nDRDY引脚保持高电平，当一组新数据转换完并写入片内数据输出寄存器（DOR）供外部微处理器读取时，DOUT／nDRDY输出一个低电平脉冲，随之输出数据最高位MSB，其余数据位从高到低依次由SCLK控制输出，每周期输出一位。此外，当SCLK长期输入高电平时，ADS1251进入同步模式。

由于ADS1251输出数字量逻辑电平为＋5V，而数字信号处理器（FPGA）用户IO引脚的接口电压为＋3.3V，所以必须使用电平缓冲器件（Buffer）完成＋5V与＋3.3V信号间的电平转换。如图1所示，外部时钟输入信号CLK和串行时钟输入信号SCLK使用74HCT244，DOUT／nDRDY信号输出使用 74LCX244，74LCX 系列器件使用＋3.3V 电源，可输入＋5V信号，适合转换ADS1251输出信号电平。

4 时序控制

ADS1251的数据转换从nDRDY上升沿开始，nDRDY信号高电平指示转换器处于转换状态，nDRDY信号低电平指示转换结束，且转换数据送入ADC数据输出寄存器DOR以供读取。如图2所示为ADS1251的时序图。

转换和数据读取间的同步由DOUT／nDRDY输出信号控制。DOUT／nDRDY引脚输出状态在数据就绪（nDRDY）和数据输出（DOUT）间交替转换。在nDRDY状态，ADS1251进行数据转换时DOUT／nDRDY引脚保持高电平。当一组新数据转换完成并写入片内数据输出寄存器（DOR）供外部微处理器读取时，DOUT／nDRDY引脚先输出一个宽度为6TCLK的低电平，随之输出6TCLK的高电平，此时数据就绪可供读取，即进入DOUT状态，并输出数据最高位MSB；在DOUT状态，数据从高位到低位依次由SCLK控制输出，每周期输出一位。即在SCLK上升沿时数据有效，SCLK下降沿时下一位数据被移至DOUT输出引脚。

图2 ADS1251时序图

24个SCLK周期后，24位数据完全从DOR中移出，之后DOUT／nDRDY保持为低电平，直到下次转换启动时变为高电平，重新进入nDRDY状态。因此，外部微处理器必须在一次新的转换过程启动之前读取所有数据位。

图3 ADS1251控制流程图

一次完整的转换需要384个系统周期，其中36个周期是nDRDY状态，348个周期是DOUT状态，所以有充足的时间进行所有24位串行数据的读取。在本系统中使用8MHz外部系统时钟，则可用于数据读取的有效时间为：

在整个数据读取过程中，外部微处理器与DOUT／nDRDY信号的同步至关重要，否则可能在读出最低位数据（LSB）之前使DOUT／nDRDY引脚状态进入nDRDY状态（高电平）导致LSB读数错误。如图3所示为FPGA内ADS1251的状态控制流程图，在对ADS1251的时序图和工作原理分析的基础上，通过该流程对ADS1251数据转换和读取进行控制。该程序由硬件描述语言VHDL实现。

程序开始后，当FPGA检测到ADS1251的nDRDY引脚输出一个上升沿和一个下降沿后，在nDRDY进入低电平状态下开始对CLK计数，在此过程中，FPGA可同时测到该时钟CLK的频率。由于nDRDY在最高数据位MSB输出前保持6TCLK低电平和6TCLK的高电平，那么正确检测到CLK频率后，可对上述6TCLK的高电平时间延长等待至少一个时钟周期（≥7TCLK）后再进行读数，就可保证读取到正确有效的MSB，其余数据位可在SCLK控制下依序有效读取。

数据读取过程使用位计数器（Bit Counter）和SCLK配合控制。当MSB读出后，FPGA控制位计数器进行减计数并控制SCLK输出下降沿，此时下一位数据由ADS1251的输出寄存器DOR送到DOUT引脚，依次重复以上循环直到完成24位数据的读取后进入下一次同步循环。

5 ADS1251转换精度及稳定度测试

为检验上述ADS1251模数转换电路性能，使用16位（对应精度15ppm）DAC器件AD5542随机输出恒定模拟电压4.987V，由ADS1251模数转换电路对此电压连续采集转换1小时，采样结果如图4所示。图4中数据已按码表人工换算为采集到的电压值，以便观察采集转换的准确性及精度。

图4 ADS1251模数转换1小时稳定度

图5 稳流电源4小时电流稳定度测试

一小时数据中，采集转换得到最小值为3FD4D3（HEX），据转换码表得到电压为4.9868238 V；最大值为 3FD652（HEX），对应电压为 4.9872804 V，则可计算得其转换稳定度 ＝（4.9872804-4.9868238）／（4.9872804 ＋ 4.9868238）＝45ppm。可见其精度及稳定度均可满足高精度稳流电源闭环反馈通道A／D转换的需求。

6 稳流电源闭环控制应用测试

为检测本文模数转换电路在数字化高精度稳流电源中闭环反馈数据采集的性能，特使用小容量（220W，IN＝10A）Chopper电路开关电源进行整体性能测试，控制电路调节方式为电流单闭环调节。电源主回路的功率器件使用SKM75GB123D 1200V／75A IGBT，输出电流传感器使用LA25-NP，通过外围硬件对LA25-NP变比进行设置，使传感器信号变送关系为满量程±10V对应输出电流±20A。

调整电源给定值，使电源稳流输出3.086A，持续工作4小时并自动记录ADS1251采集转换得到的数据，得到测试结果如图5所示。

其中，ADS1251转换电路采集到输出最小值为 1.54348103 V ，最大值为 1.54358961 V，则电源输 出 电 流 稳 定 度 ＝（1.54358961-1.54348103）／（1.54358961＋1.54348103）＝ 35ppm。

7 结束语

本文针对数字化高精度稳流电源为对象，研究了高精度、低噪声模数转换芯片ADS1251在其电流闭环反馈通道中数据采集转换的应用实现，重点说明了应用中ADS1251转换电路的硬件设计及时序控制。实验结果表明，该芯片完全可满足高精度稳流电源对反馈数据采集高精度及高稳定度的需求，对高精度甚至超高精度稳流电源中反馈量模数转换的设计实现具有实际意义。

［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.