【導讀】雖sui然ran世shi界jie繼ji續xu更geng加jia數shu字zi化hua，計ji算suan能neng力li和he數shu字zi功gong能neng愈yu發fa關guan鍵jian，但dan測ce量liang環huan境jing和he與yu實shi際ji器qi件jian交jiao互hu的de需xu求qiu仍reng然ran是shi一yi種zhong模mo擬ni功gong能neng。為wei了le在zai數shu字zi和he模mo擬ni域yu的de邊bian界jie運yun行xing，處chu理li器qi必bi須xu包bao括kuo混hun合he信xin號hao輸shu入ru/輸出
，並適應更多的軟件可編程範圍，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。16個單端模擬輸出可通過軟件配置，支持範圍為0V至5V、±5V
、0V至10V和±15V。8個全差分模擬輸入通道的輸入範圍為0V至2.5V
、±13.75V和0V至27.5V，可通過硬件進行選擇。

圖1.ADI CN0554簡化功能框圖

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。可通過Linux工業輸入/輸出(IIO)框架訪問軟件控製，提供各種調試和開發實用程序，以及支持C

、C#、MATLAB、Python等語言綁定的跨平台應用程序編程接口(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製。模塊的5V電源通過樹莓派接口連接器提供，不需要額外的電源。所有這些特性使該係統適用於低功耗、本地和遠程、精密模擬I/O應用。

評估和設計支持

►電路評估板

   ►ADI CN0554電路評估板(EVAL-CN0554-RPIZ)

►設計和集成文件

   ►原理圖、布局文件
、物料清單、軟件

電路描述

ADI CN0554為精密應用提供完整的模擬I/O係統。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範圍。該器件通過跳線選擇增加了模擬輸入電壓範圍。

表1顯示了CN0554的完整跳線配置和相應的模擬輸入電壓範圍。

表1.模擬輸入範圍

●   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，並提供可編程增益、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2.5V輸出。由於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製。輸出數據速率的可編程範圍為1.17SPS至19.2kSPS，相應的測量分辨率分別為24nV rms至72μV rms；有幾種濾波器模式可用。這使得CN0554的分辨率、數據速率和噪聲抑製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衝區，可提供或接收高達20mA的電流。

LT8582為LTC2688提供±18V電源軌，使DAC能夠充分利用其高達±15V的模擬輸出範圍。每個通道的輸出範圍可獨立編程為表2中列出的五個範圍。基準電壓可通過軟件編程，可使用內部4.096V，或將ADR4525 2.5V基準電壓源用於ADC。每個通道還支持5%的超量程。

表2.電壓輸出範圍調整

●   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。

doudongjianshaolejingmiyingyongzhongdelianghuawucha，bingtongguozaiduogeshuchudaimashangkuozhanfeixianxinglaiwancheng。cigongnengzaixuduoxuyaojiangjiaoliuxinhaodiejiazaixinhaodepingjunzhiliuzhifujindeyingyongzhonghenyoubangzhu。liru，zaiguangxueyingyongzhong

，guangludecijitexingketongguoqiduixiaojiaoliuxinhaodexiangyinglaiceliang。ciwai，doudongjianshaolehuafadengjixiexitongzhongdezhanzhi，jiakuailehuafaweizhibianhuashidexiangyingsudu。

    ○ 切換操作

如圖2suoshi，meigetongdaodouzhichiqiehuancaozuo，kezaitongguoruanjianshezhidelianggezhizhijianqiehuanshuchudianya。qiehuanyouqiehuanxinhaokongzhi，gaixinhaokecongshumeipaihuoneiburuanjiankongzhijicunqidesangebutongwaibushuzishuru（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，支持脈衝寬度調製(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1kHz時測量的峰峰值電壓為33.0V。

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。

   (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，需要抖動時鍾輸入
，並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
，可輕鬆配置時鍾頻率。

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鍾輸入來設置
，從而使用等式2來計算由此產生的抖動信號的頻率：

   (2)

其中：

f_signal是產生的抖動信號的頻率。

f_PWM是PWM時鍾頻率。

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。所有這些參數有助於精確控製抖動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1kHz抖動時鍾下，峰峰值電壓為15.04V。

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1kHz抖動時鍾下，峰峰值電壓為17.6V。

圖5.最小信號周期時的中間電平輸出電壓

●   係統性能

    ○ 模擬輸入噪聲性能

圖6顯示了中間電平輸入(5V)時的噪聲特性
，圖7顯示了滿量程輸入(10V)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14.4mV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13.4mV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17.6mV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1LSB變化值之間的差異。最大±1LSB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5V電源的升壓和反相。

LT8582輸出18V和-18V軌
，然後用於為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3.3V模擬電源軌。該穩壓器由樹莓派接口連接器上的5V電源軌供電。AD7124-8數字I/O電源直接連接到樹莓派的3.3V電源軌。

LT3090將-18V電源軌調節至-0.1V，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衝器的情況下，絕對模擬輸入電壓也能覆蓋從接地到基準電壓的整個範圍。

常見變化

AD7124-4可用於代替AD7124-8，隻有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55mA的更高輸出驅動電流和用於驅動高容性負載的補償引腳。

如果隻需0V至5V的輸出範圍，則LT8582可更換為單一正5V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後置調節。

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

►16GB或更大的SD卡

►ADI公司Kuiper Linux鏡像

►5V
、3A 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，ADI CN0554評估板配置了用於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，然後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
，並等待樹莓派啟動。

圖16.係統測試設置

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作為器件並選擇要測量的通道，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通道並選擇原始屬性。將值設置為32768
，然後點擊寫入。這應該將輸出電壓設置為2.5V左右，即默認輸出範圍0V至5V的一半。

圖19.IIO示波器調試窗口

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

圖20.CN0554模擬I/O的環回測量

了解更多

-ADI CN0554設計支持包

-Thoren、Mark和Suteu、Cristina。“使用Python分析混合模式信號鏈中噪聲的簡單方法。”ADI公司

-科教視頻。“使用帶連接模擬的樹莓派作為實驗室儀器。”ADI公司

-Fortunato、Mark。“使用混合信號芯片成功實現PCB接地——遵循最小阻抗路徑。”maximintegrated.com

-Meneu

、Jean Jacques。“模擬和數字接地：混合信號設計原則。”Arrow.com

-Deprey、Rebecca。“將模擬傳感器與樹莓派結合使用。”rebeccamdeprey.com

-樹莓派HAT簡介。raspberrypi.com

數據手冊和評估板

涉及的數據手冊和評估板如下：LTC2688數據手冊、AD7124-8數據手冊、AD7124-8評估板
、LT8582數據手冊、LT8582評估板、LT3090數據手冊、LT3090評估板、LT1790數據手冊、ADR4525數據手冊、LT5400數據手冊、ADM7160數據手冊、ADM7160評估板

ESD警告

ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會在沒有察覺的情況下放電。盡管本產品具有專利或專有保護電路
，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此
，應當采取適當的ESD防範措施

，以避免器件性能下降或功能喪失。

ADI的Circuits from the Lab™電路由ADIgongchengshishejigoujian。meigedianludeshejihegoujiandouyangezunxunbiaozhungongchengguifan，dianludegongnenghexingnengdouzaishiyanshihuanjingzhongyishiwentiaojianjinxingleceshihejianyan。jinguanruci
，caiyongzherengxufuzezixingceshidianlu，bingquedingqishifoushiyong。suoyi，ADI將不對由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導致的直接、間接
、特殊
、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。

Circuits from the Lab電路僅供與ADI產品一起使用，並且其知識產權歸ADIhuoqishouquanfangsuoyou。suiranninkeyizaichanpinshejizhongshiyongcankaodianlu，danshibingweimorenshouyuqitaxuke，huoshitongguocicankaodianludeyingyongjishiyongerhuoderenhezhuanlihuoqitazhishichanquan。ADI確信其所提供的信息是準確可靠的。不過，Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的，並不具有任何性質的承諾，包括但不限於：明示
、暗示或者法定承諾
，任何適銷性、非侵權或者某特定用途實用性的暗示承諾，ADI無需為參考電路的使用承擔任何責任
，也不對那些可能由於其使用而造成任何專利或其它第三方權利的侵權負責。ADI有權隨時修改任何參考電路，恕不另行通知。

©2022-2022 ADI公司。保留所有權利。商標和注冊商標是其各自所有者的財產。

關於ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力於在現實世界與數字世界之間架起橋梁
，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬
、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰
，並建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬餘人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息
，請訪問www.analog.com/cn。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

光伏微逆變器應用中的拓撲及工作原理分析

車規MOSFET技術確保功率開關管的可靠性和強電流處理能力

RL78族噪聲的相關注意事項及對策應用說明

功率器件動態參數測試係統選型避坑指南

使用低功耗60GHz毫米波雷達傳感器滿足Euro NCAP兒童存在檢測要求