靈活的多通道混合信號模擬I/O電路構建指南

雖然世界繼續更加數字化，計算能力和數字功能愈發關鍵，但測量環境和與實際器件交互的需求仍然是一種模擬功能。為了在數字和模擬域的邊界運行，處理器必須包括混合信號輸入/輸出，并適應更多的軟件可編程范圍，從而支持許多工業、儀器儀表和自動化應用。

圖1所示的電路是一個靈活的多通道混合信號模擬輸入/輸出(I/O)模塊（下文簡稱該電路為CN0554）。16個單端模擬輸出可通過軟件配置，支持范圍為0 V至5 V、±5 V、0 V至10 V和±15 V。8個全差分模擬輸入通道的輸入范圍為0 V至2.5 V、±13.75 V和0 V至27.5 V，可通過硬件進行選擇。

該電路可直接安裝在樹莓派的頂部，為這款受歡迎的單板計算機提供模擬I/O接口?？赏ㄟ^Linux工業輸入/輸出(IIO)框架訪問軟件控制，提供各種調試和開發實用程序，以及支持C、C#、MATLAB、Python等語言綁定的跨平臺應用程序編程接口(API)。

軟件可以在樹莓派上本地運行，也可以通過有線或無線網絡連接進行遠程控制。模塊的5 V電源通過樹莓派接口連接器提供，不需要額外的電源。所有這些特性使該系統適用于低功耗、本地和遠程、精密模擬I/O應用。

圖 1. CN0554 簡化功能框圖電路描述 CN0554為精密應用提供完整的模擬I/O系統。該電路可細分為兩個主要組件：模數轉換(ADC)和數模轉換(DAC)。

模擬輸入

CN0554可通過板載 LT5400外部匹配電阻網絡適應高達11倍輸入衰減的模擬輸入電壓范圍。該器件通過跳線選擇增加了模擬輸入電壓范圍。

表1顯示了CN0554的完整跳線配置和相應的模擬輸入電壓范圍。

表 1. 模擬輸入范圍

模數轉換

CN0554包含具有可配置模擬輸入的24位Σ-Δ ADC—— AD7124-8 。8個全差分輸入通道或16個單端輸入通道可通過軟件配置，并提供可編程增益、濾波器設置和輸出數據速率。

外部基準電壓可通過跳線進行選擇，可以是AD7124-8的內部帶隙基準電壓源，也可以是高精度、低功耗和低噪聲基準電壓源 ADR4525 的2.5 V輸出。由于基準電壓漂移直接影響ADC的精度，CN0554使用外部基準電壓源，因為與內部基準電壓源相比，其溫度漂移性能更佳。

AD7124-8的Σ-Δ架構在小信號傳感器測量，甚至工業等高噪聲環境中均提供高分辨率和噪聲抑制。輸出數據速率的可編程范圍為1.17 SPS至19.2 kSPS，相應的測量分辨率分別為24 nV rms至72 μV rms；有幾種濾波器模式可用。這使得CN0554的分辨率、數據速率和噪聲抑制能夠針對廣泛的應用進行優化。

數模轉換

CN0554包含16個使用 LTC2688 電壓輸出DAC的單端16位模擬輸出。每個通道都有一個內部軌到軌輸出緩沖區，可提供或接收高達20 mA的電流。

LT8582 為LTC2688提供±18 V電源軌，使DAC能夠充分利用其高達±15 V的模擬輸出范圍。每個通道的輸出范圍可獨立編程為表2中列出的五個范圍?；鶞孰妷嚎赏ㄟ^軟件編程，可使用內部4.096 V，或將ADR4525 2.5 V基準電壓源用于ADC。每個通道還支持5%的超量程。

表 2. 電壓輸出范圍調整

切換和抖動功能

CN0554同時支持切換和抖動功能。切換功能可以在兩個不同的DAC代碼之間快速切換DAC輸出，而無需任何SPI事務，從而消除了通信事務。示例包括注入一個小的直流偏置或在通斷狀態之間獨立切換。

抖動減少了精密應用中的量化誤差，并通過在多個輸出代碼上擴展非線性來完成。此功能在許多需要將交流信號疊加在信號的平均直流值附近的應用中很有幫助。例如，在光學應用中，光路的次級特性可通過其對小交流信號的響應來測量。此外，抖動減少了滑閥等機械系統中的粘滯，加快了滑閥位置變化時的響應速度。

• 切換操作

如圖2所示，每個通道都支持切換操作，可在通過軟件設置的兩個值之間切換輸出電壓。切換由切換信號控制，該信號可從樹莓派或內部軟件控制寄存器的三個不同外部數字輸入（TGP0、TGP1和TGP2）中獲取。其中兩個數字信號TGP0和TGP1連接到樹莓派數字輸出，支持脈沖寬度調制(PWM)。

圖 2. 切換和抖動操作框圖

圖3顯示了CN0554執行的切換操作示例。根據切換引腳，輸出電壓在零電平和滿量程值之間擺動，在1 kHz時測量的峰峰值電壓為33.0 V。

圖 3. 零電平至滿量程輸出電壓切換

• 抖動操作

在CN0554中，每個通道還支持將正弦抖動信號添加到模擬輸出的抖動操作。正弦曲線是使用查找表生成的，查找表中的值來自等式1。

其中：
n= 0, 1, 2, … N — 1.
N 是信號周期。
φ0是信號相位角，初始信號相位。

CN0554可配置抖動信號的幅度、周期和相位角。

抖動信號的幅度通過軟件設置，可以在設置的最大輸出電壓的0%到25%之間。

為了設置抖動頻率，需要抖動時鐘輸入，并且可以從樹莓派的三個外部數字輸入TGP0、TGP1和TGP2中選擇。其中兩個外部輸入TGP0和TGP1連接到樹莓派數字輸出，具有PWM特性，可輕松配置時鐘頻率。

抖動信號的頻率通過由4、8、16、32和64軟件可配置分頻器分頻的抖動時鐘輸入來設置，從而使用等式2來計算由此產生的抖動信號的頻率：

其中：
f_signal 是產生的抖動信號的頻率。
f_PWM 是PWM時鐘頻率。
N 是分頻器。

抖動相位角可配置為四個不同的值：0、90、180和270。所有這些參數有助于精確控制抖動DAC通道輸出。

圖4顯示了CN0554在最大信號周期的中間電平輸出電壓下執行的抖動操作示例，在1 kHz抖動時鐘下，峰峰值電壓為15.04 V。

圖 4. 最大信號周期時的中間電平輸出電壓

圖5顯示了在最小信號周期的中間電平輸出電壓下執行的抖動操作，在1 kHz抖動時鐘下，峰峰值電壓為17.6 V。

圖 5. 最小信號周期時的中間電平輸出電壓

系統性能

• 模擬輸入噪聲性能

圖6顯示了中間電平輸入(5 V)時的噪聲特性，圖7顯示了滿量程輸入(10 V)時的噪聲特性。

圖 6. 中間電平模擬輸入噪聲直方圖

圖 7. 滿量程模擬輸入噪聲直方圖

• 模擬輸出噪聲性能

LT8582的開關穩壓器輸出經過旁路和濾波，以降低噪聲。圖8顯示了零電平輸出時的交流耦合信號噪聲，其在14.4 mV時具有非常低的峰峰值噪聲。

圖 8. 來自 ADC 和 DAC 通道環回的零電平 AC 耦合噪聲信號

圖9顯示了中間電平輸出時產生的13.4 mV峰峰值噪聲。

圖 9. 來自 ADC 和 DAC 通道環回的中間電平 AC 耦合噪聲信號

在圖10中，電路板在滿量程輸出時產生了17.6 mV的最高峰峰值噪聲。

圖 10. 來自 ADC 和 DAC 通道環回的滿量程 AC 耦合噪聲信號

• 模擬輸出線性

積分非線性(INL)是指與通過DAC轉換函數端點的直線的最大偏差（單位：LSB）。此外，差分非線性(DNL)是任意兩個相鄰代碼之間測得的變化值與理想的1 LSB變化值之間的差異。最大±1 LSB的額定差分非線性可確保單調性。

圖11顯示了輸出電壓的DNL（單位：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設置值的對比。

圖 11. 輸出電壓的差分非線性

圖12顯示了輸出電壓的INL（單位：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設置值的對比。

圖 12. 輸出電壓的積分非線性

電源架構

CN0554直接從樹莓派40引腳接口連接器獲取電源。圖13顯示了CN0554的完整電源樹。

圖 13. CN0554 電源樹

LT8582是一個雙獨立通道開關DC/DC轉換器，負責樹莓派5 V電源的升壓和反相。

LT8582輸出18 V和-18 V軌，然后用于為ADC和DAC提供必要的電源軌。CN0554還通過LT8582的故障保護特性提供輸入過壓和過熱保護。

ADM7160超低噪聲、低壓差穩壓器為AD7124-8提供3.3 V模擬電源軌。該穩壓器由樹莓派接口連接器上的5 V電源軌供電。AD7124-8數字I/O電源直接連接到樹莓派的3.3 V電源軌。

LT3090將-18 V電源軌調節至-0.1 V，為AD7124-8提供略微為負的模擬電源。電源軌設計成即使在啟用輸入緩沖器的情況下，絕對模擬輸入電壓也能覆蓋從接地到基準電壓的整個范圍。

常見變化 AD7124-4 可用于代替AD7124-8，只有8個單端和/或4個差分通道；這降低了無需額外通道的應用成本。

LTC2686 是LTC2688的8通道替代品。它具有55 mA的更高輸出驅動電流和用于驅動高容性負載的補償引腳。

如果只需0 V至5 V的輸出范圍，則LT8582可更換為單一正5 V電源。DAC的替代電源選項可以考慮較低的輸出電流升壓或反相穩壓器，因為電路板設計為支持所有通道上的全部DAC輸出電流。

此外，還可以根據應用添加低壓差穩壓器等升壓或反相穩壓器的低噪聲后置調節。

電路評估與測試 本節介紹評估EVAL-CN0554-RPIZ的設置和程序。如需完整的詳細信息，請參閱 CN0554用戶指南。

設備要求

• EVAL-CN0554-RPIZ電路評估板

• 樹莓派4 B型

• 帶HDMI的顯示器

• Micro HDMI轉HDMI適配器

• USB鍵盤和鼠標

• 16 GB或更大的SD卡

• ADI公司Kuiper Linux鏡像

• 5 V、3 A USB Type-C電源適配器

• 母對母環回跳線

• 示波器

• 數字電壓表（6位或更高）

開始使用

默認情況下，CN0554評估板配置了用于測試的正確分流位置。訪問EVAL-CN0554-RPIZ用戶指南以驗證分流位置。

要執行評估測試，請按以下步驟操作：

1. 將 EVAL-CN0554-RPIZ 連接到樹莓派，如圖 14 所示。

圖 14. EVAL-CN0554-RPIZ 連接到樹莓派

2. 將具有 Kuiper Linux 鏡像的 SD 卡插入樹莓派。

3. 使用母對母環回跳線電纜連接 ADC 輸入和 DAC 輸出通道，如圖 15 所示。

圖 15. 具有環回連接的 EVAL-CN0554-RPIZ 測試設置

4. 將樹莓派的 HDMI 電纜連接到顯示器，然后將鍵盤和鼠標連接到 USB 端口。

5. 使用 USB Type-C 電源適配器為樹莓派供電，并等待樹莓派啟動。

圖 16. 系統測試設置

6. 打開 IIO 示波器，卸下(undock)DMM 和調試選項卡，如圖 17 所示。

圖 17. IIO 示波器 DMM 和調試選項卡

7. 在 DMM 窗口中，選擇 ad7124 作為器件并選擇要測量的通道，例如 ad7124-8:voltage0-voltage1。點擊 Play 按鈕開始測量。

圖 18. IIO 示波器 DMM 窗口

8. 在調試窗口中，在“器件選擇”中選擇 ltc2688。在 IIO器件屬性部分，選擇輸出電壓 1 通道并選擇原始屬性。將值設置為 32768，然后點擊寫入。這應該將輸出電壓設置為 2.5 V 左右，即默認輸出范圍 0 V 至 5 V 的一半。

圖 19. IIO 示波器調試窗口

9. DMM 測量值應顯示約 0.227 V 或 2.5 V 的 1/11，即默認輸入電壓衰減。

圖 20. CN0554 模擬 I/O 的環回測量