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(jī)控制中，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源電壓及電流的檢測(cè)和監(jiān)控。本文簡(jiǎn)單介紹了AMC1204 的工作原理，重點(diǎn)討論輸入采樣電阻阻抗對(duì)AMC1204 轉(zhuǎn)換精度的影響以及調(diào)制器輸出濾波器的設(shè)計(jì)。

　　1 AMC1204 簡(jiǎn)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(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，隔離工作電壓可達(dá)1200Vpeak，瞬間隔離電壓達(dá)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(chǎng)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(diǎn)，同時(shí)AMC1204 內(nèi)部集成了高精度的Delta-Sigma 調(diào)制器，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jī)控制等場(chǎng)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(cuò)的交流特性， SNR 可達(dá)88dB，THD 可達(dá)-96dB，有效位數(shù)ENOB可達(dá)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(gè)檢測(cè)電壓和電流的典型應(yīng)用電路，該電路使用兩片AMC1204 實(shí)現(xiàn)對(duì)48V 電源的電壓監(jiān)測(cè)及負(fù)載電流檢測(cè)，輸出數(shù)字信號(hào)給后端進(jìn)行處理，不需要額外使用隔離器件，應(yīng)用電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更可靠。

　　圖2 48V 通信電源電壓/電流檢測(cè)電路

　　1 外圍電路設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響分析

　　在電路設(shè)計(jì)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(guò)電阻分壓電路測(cè)試電壓值的應(yīng)用場(chǎng)景中。下面分析輸入采樣電阻對(duì)AMC1204 轉(zhuǎn)換精度的影響。

　　1.1 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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，完成一次采樣/放電，輸入等效電阻 。當(dāng)AMC1204 的輸入時(shí)鐘頻率為5MHz 時(shí)，等效阻抗約為50KΩ；當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率為20MHz 時(shí)，等效阻抗約為12.5KΩ。如果待測(cè)信號(hào)的阻抗較大，則輸入等效阻抗的影響不能忽略，因?yàn)檫@將可能嚴(yán)重影響到ADC 轉(zhuǎn)換的精度。因此，實(shí)際使用時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，選擇滿足測(cè)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

　　 。考慮到輸入等效電阻， 實(shí)際輸入差分電壓應(yīng)為 。

　　圖4 AMC1204 測(cè)試電路

　　以 為例，則當(dāng)時(shí)，由輸入等效電阻引入的誤差約為0.96%；當(dāng) 時(shí)，由輸入等效電阻引入的誤差約為0.1%。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果要系統(tǒng)精度達(dá)到1%以上，則需要采樣電阻的阻抗小于0.01，以盡量減小由輸入采樣電阻引入的誤差。

　　1.1 電路設(shè)計(jì)例子

　　使用圖4 所示電路測(cè)量不同輸入采樣電阻和時(shí)鐘頻率情況下AMC1204 轉(zhuǎn)換精度。實(shí)驗(yàn)使用作為調(diào)制器后端的硬件濾波器，濾波器配置為型，過(guò)采樣率（OSR）設(shè)置為256。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。是輸入電壓的目標(biāo)值，是VINP 管腳與VINN 管腳之間電壓實(shí)測(cè)值，? 是VINP 管腳與VINN 管腳之間電壓理論計(jì)算值（考慮到輸入阻抗的影響）， 是由調(diào)制器的輸出經(jīng)濾波器后的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

?

　　1.1 小結(jié)

　　以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)測(cè)的輸入電壓值與考慮到輸入阻抗計(jì)算得到的理論值基本一致，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與理論分析基本吻合。輸入時(shí)鐘頻率直接決定了AMC1204 的輸入阻抗，輸入采樣電阻值相對(duì)于AMC1204 的輸入阻抗越低，輸入采樣電阻的影響就會(huì)越小。因此，在一些測(cè)量電壓的應(yīng)用場(chǎng)景下，如果采樣電阻值無(wú)法減小，可以使AMC1204 工作在較低的時(shí)鐘頻率以提高輸入阻抗，獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。當(dāng)然，降低輸入時(shí)鐘頻率是以犧牲轉(zhuǎn)換速率為代價(jià)的。此外，如果無(wú)法通過(guò)降低輸入時(shí)鐘頻率和輸入采樣電阻的方式提高精度，還可以通過(guò)軟件方法對(duì)AMC1204 的失調(diào)誤差和增益誤差進(jìn)行校正，即對(duì)表1 中的誤差指標(biāo)進(jìn)行額外補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)精度，獲得最佳的系統(tǒng)性能。

　　2 調(diào)制器輸出濾波的設(shè)計(jì)

　　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(dāng)輸入電壓為250mV 時(shí)，輸出1 的比例為89.0625%；當(dāng)輸入電壓為-250mV 時(shí)，輸出1 的比例為10.9375%；當(dāng)輸入電壓為0mV 時(shí)，輸出1 的比例為50%。當(dāng)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(shí)的輸出數(shù)據(jù)信息，一般需要在輸出后端進(jìn)行數(shù)字濾波處理，實(shí)際應(yīng)用中可以采用以下兩種濾波器對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　2.1 移動(dòng)平均濾波器

　　移動(dòng)平均濾波器比較簡(jiǎn)單，它是取輸入信號(hào)的最近的一些值，進(jìn)行算術(shù)平均，相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，濾除高頻分量，保留低頻分量。在時(shí)鐘clk 的上升沿，對(duì)AMC1204 輸出的高脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算M 個(gè)clk 的上升沿時(shí)，對(duì)應(yīng)的高電平脈沖個(gè)數(shù)N。則，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果為（640*N/M-320）mV。平均的項(xiàng)數(shù)越多，即M 越大，則得到變化越緩慢的輸出信號(hào)，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(shí)際應(yīng)用中，這種方法必須平均盡可能多的輸入信號(hào)才能獲得比較高的精度。移動(dòng)平均濾波器實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，不需要單獨(dú)增加DSP 或FPGA 即可實(shí)現(xiàn)。但是，移動(dòng)平均濾波器的頻域效果較差，滾降較慢，因此，在檢測(cè)低頻信號(hào)及對(duì)精度要求不高的應(yīng)用中，可以考慮使用這種方法。但是，對(duì)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。

　　2.2 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(shí)較低，因此，廣泛用作Delta-Sigma DAC 的濾波器。Sinc 濾波器可通過(guò)專門的濾波器芯片或者通過(guò)FPGA 或DSP 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　AMC1210 是一個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)字濾波器可設(shè)置為Sincfast，， 或者方式。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于濾波器具有更好的低通特性，建議將AMC1210 配置為 濾波器，過(guò)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(guò)FPGA 或DSP 來(lái)實(shí)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(yǔ)言實(shí)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(guò)采樣率OSR）。

　　圖8 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;

　　3 結(jié)論

　　應(yīng)用高性能隔離Delta-Sigma調(diào)制器AMC1204時(shí)，為了確保轉(zhuǎn)換精度，需要注意外圍輸入電路的設(shè)計(jì)，選擇合適的輸入采樣電阻以及時(shí)鐘頻率，使得輸入采樣電阻阻值相對(duì)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(shí)選擇合適的輸出濾波器，以滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的要求。

　　4 Reference

　?。?］ AMC1204 datasheet

　　［2］ AMC1210 datasheet

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