高精度隔离模数转换器电路的设计与验证

王林 罗兴科 魏来 周天熠

摘 要：本文介绍了一种新型高精度隔离模数转换器，它具有采集精度高、输入量程自适应能力强，易于小型化等优点，本文详细介绍了新型隔离模数转换器CGF1211应用电路的技术特点，工作原理和验证手段。经验证，新型隔离模数转换器在信息采集领域有着很好的应用前景和应用价值。

关键词：隔离模数转换器；高精度；设计与验证

1 隔离模数转换器简介

传统隔离放大器（如BB-3656、CGF0711）实现了输入与输出之间以及电源与输入、输出之间的电气隔离，能在输入、输出之间有很高电位差的条件下工作，具有很高的隔离模抑制比。但因为输入、输出都是模拟信号，存在着诸如线性度较低、仅支持单路模拟输入、外围分立电子元器件多、生产调试复杂、用计算机进行信号采集处理接口困难等缺点。

近年来，随着国内元器件厂家技术实力和制造水平的不断提高，新型隔离模数转换器的国产化进程也在飞速发展。近年来，涌现出了一批性能较为出色的产品，CGF1211是其中的典型代表。CGF1211 是一款隔离型串行输出模数转换器，支持4路-5V～+5V模拟输入通道，快速逐次逼近型A/D转换，12bit串行数据输出。可实现输入地、输出地与电源地的三端隔离。该器件的主要优点是：线性度高、实现多路并行转换、测量精度高、隔离性能好、价格便宜等。

2 CGF1211电路设计原理

CGF1211作为一款新型隔离模数转换器，采用A/D转换形式，保证很好的线性度。A/D转换结果数字化串行输出，减少器件引出线数量，且支持多路模拟通道输入。具有数字化逻辑电平输入/输出，控制和数据读出操作简单方便。输入、输出和电源三端隔离，隔离效果好。CGF1211功能框图如图1所示。

图1 CGF1211功能框图

2.1 工作原理

首先输入CONVST的上升沿，启动A/D的逐次逼近过程。在转换启动后，在内部时钟的控制下，A/D进行模数转换过程，最大转换时间为6μs，转换结束后，转换结果可以通过串行口输出。为了获得最佳的性能，A/D要求在下一次CONVST的上升沿600 ns之前，结束A/D的串行读操作。需要注意的是：A/D每次串行输出的数据为16位，串行输出数据位的顺序为先输出4位“0”，然后以高位在前，低位在后的次序输出12位转换结果。转换启动信号控制器端口给出，该端口直接接到A/D的CONVST，从而启动A/D转换。由于A/D采用8脚封装，引脚数量受到限制，故没有指示转换结束的状态信号，这时可采用软件延时的方法，保证在CONVST上升沿后6μs时开始进行串行数据读操作，还要用软件保证下一次转换在串行读数据结束后600 ns才开始，以上为控制转换及串行通信读数据的时序。

表1 数字编码规则

模拟输入 转换输出数字代码

+FSR/2—1LSB 011┄┄110—011┄┄111

GND 111┄┄111—000┄┄000

-FSR/2+1LSB 100┄┄000—100┄┄001

模数转换器的满量程范围FSR=10V（-5V—+5V），12bit串行输出数据是补码形式，输出数字量编码规则如表1所示。

2.2 数字隔离传输部分

采用高速CMOS和单片空芯变压器技术的数字隔离器芯片，相比于光耦器件，后者每个单元的驱动电流至少要5mA以上，而数字隔离器4个单元的耗电≤2.8mA，工作温度范围-40℃～+105℃，最大数据速率1Mbps，最大传输延迟时间100nS，逻辑高、低电平输入输出，隔离电压可达2kV，隔离效果好。

2.3 多片并联采集技术

CGF1211还设置了片选端CS，CS=0 串行数据输出端SDATA为高阻状态，CS=1，该器件被选中，可从串行数据输出端SDATA读出数据。使用中可多片并接控制，多片输出端SDATA并接分时读出，配合CGF1212隔离电源芯片，输出2组互相隔离的+5V、+6.5V、-6.5V电压，对多块CGF1211提供隔离工作电源，可以将多块CGF1211并联运行，工作原理图见图2，提高了测量的集成度，降低了系统使用成本。

图2 多片CGF1211并联工作原理图

3 CGF1211在信息采集系统中的应用

为验证新型隔离模数转换器的性能水平，我们设计了如下验证平台，总体架构如图3所示：

图3 新型模拟信号隔离采集设计架构图

为了实现数字化的隔离采集输出，首先要在输入端实现预处理。后端采用了自适应处理技术，实现了产品的小型化、智能化。自适应处理的硬件部分选用AT89C51单片机作为运算处理单元，在保证实用性的同时提高数据的处理精度[1]。

经测试，隔离型串行模数转换器CGF1211可以实现高速、高精度、多路并行模拟信号处理。与传统芯片相比，CGF1211存在着如下优势：

1）采样精度达到12bit。

2）线性度好，满量程误差≤2LSB。

3）提供多路模拟通道输入，降低了使用成本。

4）使用電子元件集成度高，生产调试方便。

5）分立电子元器件数量很少，提高了可靠性。

6）可多片并接控制，多片输出端SDATA并接分时读出。

4 结论

新型隔离模数转换器放大器具有采集精度高、输入量程自适应能力强，易于小型化等的优点。本文对新型隔离模数转换器CGF1211的设计原理、功能及应用验证中的相关问题进行了深入研讨。经验证，作为模拟信号采集领域的前沿技术，提高了采集精度、集成度水平，降低了使用成本，社会效益和经济效益良好。

参考文献

[1]陈玲等.12位A/D转换器AD7893及与89C51的接口[J].应用科技，2002，29（10）：14-15.