摘要

    AMC1204 是一款二階隔離Delta-Sigma 調(diào)制器,，由于其出色的直流特性,、交流特性及隔離特性,，廣泛應(yīng)用在通信電源系統(tǒng),、逆變器,、整流器,、UPS 及電機控制中，可實現(xiàn)系統(tǒng)電源電壓及電流的檢測和監(jiān)控,。本文簡單介紹了AMC1204 的工作原理,，重點討論輸入采樣電阻阻抗對AMC1204 轉(zhuǎn)換精度的影響以及調(diào)制器輸出濾波器的設(shè)計。

1          AMC1204 簡介

    AMC1204 是一款二階隔離Delta-Sigma 調(diào)制器,。如圖1 所示,，它使用TI 特有的電容隔離技術(shù)，滿足UL1577,，IEC60747-5-2 及CSA 認證標準,，隔離工作電壓可達1200Vpeak，瞬間隔離電壓達4000Vpeak,，共模瞬態(tài)抑制在15KV/us 以上,。電容隔離器件具有同電感隔離器件相比更高的磁場抗擾性及可靠性，同光耦隔離器件相比更低的功耗等這些顯著的優(yōu)點,，同時AMC1204 內(nèi)部集成了高精度的Delta-Sigma 調(diào)制器,，電路設(shè)計簡單，被廣泛應(yīng)用于通信電源系統(tǒng),、逆變器,、整流器、UPS 及電機控制等場景,。

圖1 AMC1204 內(nèi)部示意框圖

AMC1204 具有出色的直流特性,，DNL 誤差小于1LSB，INL 誤差最大為8LSB(-40℃至85℃)，失調(diào)誤差1mV,，增益誤差小于2%,。如果將失調(diào)和增益誤差校正后，不考慮電源及溫度的影響,，由ADC 引入的誤差僅為0.012%,。此外，AMC1204 也表現(xiàn)出了不錯的交流特性,，SNR 可達88dB,，THD 可達-96dB，有效位數(shù)ENOB 可達14bit(OSR=256,， 濾波器),。因此，AMC1204 可以滿足絕大多數(shù)高精度系統(tǒng)的使用要求,。圖2 是在通信系統(tǒng)電源中的一個檢測電壓和電流的典型應(yīng)用電路,，該電路使用兩片AMC1204 實現(xiàn)對48V 電源的電壓監(jiān)測及負載電流檢測，輸出數(shù)字信號給后端進行處理,，不需要額外使用隔離器件,，應(yīng)用電路設(shè)計更簡單,、更可靠,。

圖2 48V 通信電源電壓/電流檢測電路

2          外圍電路設(shè)計對轉(zhuǎn)換精度的影響分析

在電路設(shè)計中，影響AMC1204 轉(zhuǎn)換精度主要是外圍電路的電阻取值,，尤其在通過電阻分壓電路測試電壓值的應(yīng)用場景中,。下面分析輸入采樣電阻對AMC1204 轉(zhuǎn)換精度的影響。

2.1    輸入等效電路及分析

AMC1204 的輸入等效電路如圖3 所示,，在一個時鐘周期內(nèi),，完成一次采樣/放電，輸入等效電阻 ,。當AMC1204 的輸入時鐘頻率為5MHz 時,，等效阻抗約為50KΩ；當輸入時鐘頻率為20MHz 時,，等效阻抗約為12.5KΩ,。如果待測信號的阻抗較大，則輸入等效阻抗的影響不能忽略,，因為這將可能嚴重影響到ADC 轉(zhuǎn)換的精度,。因此，實際使用時,，需要根據(jù)系統(tǒng)的性能要求,，選擇滿足測量精度的采樣電阻值。

圖3 AMC1204 輸入等效電路

以圖4 所示電路為例，如果不考慮器件輸入等效電阻的影響,，輸入差分電壓理論值為

圖4 AMC1204 測試電路

2.2    電路設(shè)計例子

使用圖4 所示電路測量不同輸入采樣電阻和時鐘頻率情況下AMC1204 轉(zhuǎn)換

注：實驗所選電阻精度為1%,，實際測量值由Agilent U1251A 型號萬用表測得，AMC1204 的失調(diào)誤差和增益誤差未校正(以上測試結(jié)果供參考),。

表1 不同輸入采樣電阻和時鐘頻率下的轉(zhuǎn)換結(jié)果

2.3    小結(jié)

以上實驗結(jié)果可以看出,，實測的輸入電壓值V₂與考慮到輸入阻抗計算得到的理論值V₂'基本一致，實驗得到的數(shù)據(jù)與理論分析基本吻合,。輸入時鐘頻率直接決定了AMC1204 的輸入阻抗,，輸入采樣電阻值相對于AMC1204 的輸入阻抗越低，輸入采樣電阻的影響就會越小,。因此,，在一些測量電壓的應(yīng)用場景下，如果采樣電阻值無法減小,，可以使AMC1204 工作在較低的時鐘頻率以提高輸入阻抗,，獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。當然,，降低輸入時鐘頻率是以犧牲轉(zhuǎn)換速率為代價的,。此外，如果無法通過降低輸入時鐘頻率和輸入采樣電阻的方式提高精度,，還可以通過軟件方法對AMC1204 的失調(diào)誤差和增益誤差進行校正,，即對表1 中的誤差指標進行額外補償，以提高系統(tǒng)精度,，獲得最佳的系統(tǒng)性能,。

3          調(diào)制器輸出濾波的設(shè)計

AMC1204 輸出1 比特位寬由0 和1 組成的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流中1 的密度與模擬輸入電壓成正比,。當輸入電壓為250mV 時,，輸出1 的比例為89.0625%；當輸入電壓為-250mV 時,，輸出1 的比例為10.9375%,；當輸入電壓為0mV 時，輸出1 的比例為50%,。當輸入電壓從-250mV 到+250mV 之間,，AMC1204 的轉(zhuǎn)換性能可以得到保障。為了得到真實的輸出數(shù)據(jù)信息,，一般需要在輸出后端進行數(shù)字濾波處理,，實際應(yīng)用中可以采用以下兩種濾波器對輸出數(shù)據(jù)進行處理。

3.1     移動平均濾波器

移動平均濾波器比較簡單,，它是取輸入信號的最近的一些值,，進行算術(shù)平均,，相當于一個低通濾波器，濾除高頻分量,，保留低頻分量,。在時鐘clk 的上升沿，對AMC1204 輸出的高脈沖進行計數(shù),，計算M 個clk 的上升沿時,，對應(yīng)的高電平脈沖個數(shù)N。則,，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果為(640×N/M-320)mV,。平均的項數(shù)越多，即M 越大,，則得到變化越緩慢的輸出信號,，但得到的精度也越高。

圖5 AMC1204 輸出數(shù)據(jù)波形

需要注意的是,，在實際應(yīng)用中,，這種方法必須平均盡可能多的輸入信號才能獲得比較高的精度。移動平均濾波器實現(xiàn)比較簡單,，不需要單獨增加DSP 或FPGA 即可實現(xiàn),。但是，移動平均濾波器的頻域效果較差,，滾降較慢,，因此，在檢測低頻信號及對精度要求不高的應(yīng)用中,，可以考慮使用這種方法,。但是,，對于精度要求比較高的應(yīng)用中,，需要考慮使用性能更好的濾波器，如Sinc 濾波器,。

3.2    Sinc 濾波器

Sinc濾波器具有良好的頻域特性,，較低的成本和功耗，延時較低,，因此,，廣泛用作Delta-Sigma DAC 的濾波器。Sinc 濾波器可通過專門的濾波器芯片或者通過FPGA 或DSP 算法來實現(xiàn),。

AMC1210 是一個4 通道的數(shù)字濾波器,，芯片輸出接口可設(shè)置為SPI 接口或者并行接口方式，方便與CPU 進行數(shù)據(jù)通信,。數(shù)字濾波器可設(shè)置為Sincfast,，Sinc¹，Sinc²  或者Sinc³方式。實際應(yīng)用時,，由于Sinc³濾波器具有更好的低通特性,，建議將AMC1210 配置為Sinc³ 濾波器，過采樣率(OSR)設(shè)為256以獲得最優(yōu)的轉(zhuǎn)換結(jié)果,。

圖6 AMC1204 與AMC1210 的連接

此外,，也可以通過FPGA 或DSP 來實現(xiàn)Sinc 濾波器算法。濾波器的基本架構(gòu)如圖7 所示,。

圖7 調(diào)制器與抽取濾波器的基本架構(gòu)

以下是用VHDL 語言實現(xiàn)SINC3 濾波器的一段示例程序,。其中，CNR=MCLK/M,，M 為抽取率(即過采樣率OSR),。

圖8 Sinc³ 數(shù)字濾波器架構(gòu)

圖8 的示例代碼：

library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;

use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity FLT is

port(RESN, MOUT, MCLK, CNR : in std_logic;

CN5 : out std_logic_vector(23 downto 0));

end FLT;

architecture RTL of FLT is

signal Z1 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z2 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z3 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z4 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z5 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z6 : std_logic_vector(23 downto 0);

signal Z7 : std_logic_vector(23 downto 0);

begin

process(MCLK, RESN)

begin

if RESN = '0' then

Z1 <= (others => '0');

Z2 <= (others => '0');

Z3 <= (others => '0');

elsif MCLK'event and MCLK = '1' then

Z1 <= Z1 + MOUT;

Z2 <= Z2 + Z1;

Z3 <= Z3 + Z2;

end if;

end process;

process(CNR, RESN)

begin

if RESN = '0' then

Z4 <= (others => '0');

Z5 <= (others => '0');

Z6 <= (others => '0');

Z7 <= (others => '0');

elsif CNR'event and CNR = '1' then

Z4 <= Z3;

Z5 <= Z3 - Z4;

Z6 <= Z3 - Z4 - Z5;

Z7 <= Z3 - Z4 - Z5 - Z6;

end if;

end process;

CN5 <= Z7;

end RTL;

4          結(jié)論

應(yīng)用高性能隔離Delta-Sigma調(diào)制器AMC1204時，為了確保轉(zhuǎn)換精度,，需要注意外圍輸入電路的設(shè)計,，選擇合適的輸入采樣電阻以及時鐘頻率，使得輸入采樣電阻阻值相對于輸入等效阻抗盡量小,，以此降低輸入電阻引起的轉(zhuǎn)換誤差,；同時選擇合適的輸出濾波器，以滿足整個系統(tǒng)對測量精度的要求,。

5          參考文獻

[1] AMC1204 datasheet

[2] AMC1210 datasheet