如何降低模拟量采集电路设计的复杂性 — ADI 最新、高集成度、高精度方案

作者：Saul Song 公司：骏龙科技

从19世纪以电力驱动的制造设备出现后，到现在的工业4.0工业自动化设备中，一直需要对现场仪表输出的电压电流进行采集。现场仪表输出的模拟信号有4-20mA、0-20mA、±10V、±5V、0-10V、0-5V等。自动化设备中的PLC、运动控制器、IO扩展模块模拟量的采集精度一般要求在0.1%，通道数据更新率为1kSPS。

在传统的模拟量采集电路设计需要用±15V给模拟前端供电、精密的采样电阻、双电源供电模拟开关、精密的运放及ADC。这些都造成模拟量采集设计的复杂度上升，并增加了BOM的成本。本文将介绍基于ADI AD411X方案，如何降低模拟量采集设计的复杂性，缩短开发周期。

一、传统的模拟量采集解决方案

传统的模拟量采集用模拟开关+ 运放+ADC的方案。

功能框图如下图：

该方案的特点如下：

整个方案的电压，电流精度最好可达0.1%（需要出厂校准）；
需要提供±15V电源；
需要精密电阻；
模拟开关的逻辑控制脚需要隔离；
需要ADC、ADC基准源、双电源供电模拟开关、精密运放。

二、ADI的模拟量采集解决方案

为降低模拟量采集的设计复杂度，ADI新出AD411X系列模拟量采集方案，AD411X是一款低功耗、低噪声、24位Σ-Δ型ADC，集成了模拟前端(AFE)，支持全差分或单端、高阻抗(≥1MΩ)双极性±10 V电压输入和0 mA至20 mA电流输入。

方案框图如下：

与传统方案对比：

1. AD411X有更高集成度，内含ADC、模拟开关、运放、精密电阻、基准源、内部时钟、开路检测功能。可减轻采购物料的难度。

2. AD411X有更高的精度，电压采样精度可达 0.06%(在25度时)，电流采样精度可达 0.08% (在25度时)。

3. AD411X出厂时已校准，并且芯片内部可自校准，可提高产线生产效率。

4. AD411X只需要5V供电，可简化电源方案并节省成本。

AD4111性能特点：

1. 集成模拟前端的 24 位 ADC。

2. ±10 V 输入，4 个差分或 8 个单端，输入阻抗大于1 MΩ 阻抗，25°C 时精度为 ±0.06%，带有开路检测功能。

3. 0 mA 至 20 mA 输入，4 个单端，25°C 时精度为 ±0.08%。

4. 片内 2.5 V 基准电压源，25°C 时精度为 ±0.12%，漂移为 ±5 ppm/°C（典型值）。

5. 内部或外部时钟。

6. 电源，AVDD = 3.0 V 至 5.5 V，IOVDD = 2 V 至 5.5 V，总 IDD = 3.9 mA。

7. 3 线或 4 线SPI接口。

8. 根据以下标准进行鲁棒性测试：IEC6100-4-2、IEC6100-4-3、IEC6100-4-4、IEC6100-4-5、IEC6100-4-6、CISPR 11。[1]

AD4111/AD4112/AD4114/AD4115各个器件的差别：

AD4111评估板：

为了让客户更方便的评估AD411X的器件性能，缩短产品的研发时间，ADI提供了评估板。该评估板的输入电压范围为 ±10 V（4 个差分通道或 8 个单端通道），具有断线检测功能，4 个电流通道的工作电流范围为 0 mA 至 20 mA。所有通道都具有板载过压和过流保护。[1] 评估板可通过的SPI接口连接客户的MCU或ARM平台测试。

如下图：