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互動的需求仍然是一種模拟功能。為了在數字和模拟域的邊界運作，處理器必須包括混合信号輸入/輸出，并适應更多的軟體可程式設計範圍，進而支援許多工業、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号模拟輸入/輸出(I/O)子產品。16個單端模拟輸出可通過軟體配置，支援範圍為0V至5V、±5V、0V至10V和±15V。8個全差分模拟輸入通道的輸入範圍為0V至2.5V、±13.75V和0V至27.5V，可通過硬體進行選擇。
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，為這款受歡迎的單闆計算機提供模拟I/O接口。可通過Linux工業輸入/輸出(IIO)架構通路軟體控制，提供各種調試和開發實用程式，以及支援C、C#、MATLAB、Python等語言綁定的跨平台應用程式程式設計接口(API)。
軟體可以在樹莓派上本地運作，也可以通過有線或無線網絡連接配接進行遠端控制。子產品的5V電源通過樹莓派接口連接配接器提供，不需要額外的電源。所有這些特性使該系統适用于低功耗、本地和遠端、精密模拟I/O應用。
評估和設計支援
- 電路評估闆
- ADI CN0554電路評估闆(EVAL-CN0554-RPIZ)
- 設計和內建檔案
- 原理圖、布局檔案、物料清單、軟體
電路描述
ADI CN0554為精密應用提供完整的模拟I/O系統。該電路可細分為兩個主要元件：模數轉換(ADC)和數模轉換(DAC)。
模拟輸入
CN0554可通過闆載LT5400外部比對電阻網絡适應高達11倍輸入衰減的模拟輸入電壓範圍。該器件通過跳線選擇增加了模拟輸入電壓範圍。
表1顯示了CN0554的完整跳線配置和相應的模拟輸入電壓範圍。
表1.模拟輸入範圍
| 跳線配置 | 輸入範圍 |
| 短接引腳1和3，以及引腳2和4 | ±13.75V |
| 短接引腳3和5，以及引腳2和6 | 0V至27.5V |
| 不連接配接 | 0V至2.5V |
模數轉換
CN0554包含具有可配置模拟輸入的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體配置，并提供可程式設計增益、濾波器設定和輸出資料速率。
外部基準電壓可通過跳線進行選擇，可以是AD7124-8的内部帶隙基準電壓源，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，因為與内部基準電壓源相比，其溫度漂移性能更佳。
AD7124-8的Σ-Δ架構在小信号傳感器測量，甚至工業等高噪聲環境中均提供高分辨率和噪聲抑制。輸出資料速率的可程式設計範圍為1.17SPS至19.2kSPS，相應的測量分辨率分别為24nV rms至72μV rms；有幾種濾波器模式可用。這使得CN0554的分辨率、資料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位模拟輸出。每個通道都有一個内部軌到軌輸出緩沖區，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的模拟輸出範圍。每個通道的輸出範圍可獨立程式設計為表2中列出的五個範圍。基準電壓可通過軟體程式設計，可使用内部4.096V，或将ADR4525 2.5V基準電壓源用于ADC。每個通道還支援5%的超量程。
表2.電壓輸出範圍調整
| 輸出範圍調整 | 内部基準電壓源 (VREF = 4.096V) | 外部基準電壓源 (VREF = 2.5 V) |
| 0 V至5 V × (VREF / 4.096) | 0 V至5 V | 0 V至3.05 V |
| 0 V至10 V × (VREF / 4.096) | 0 V至10 V | 0 V至6.10 V |
| ±5 V × (VREF / 4.096) | ±5 V | ±3.05 V |
| ±10 V × (VREF / 4.096) | ±10 V | ±6.10 V |
| ±15 V × (VREF / 4.096) | ±15 V | ±9.15 V |
切換和抖動功能
CN0554同時支援切換和抖動功能。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，進而消除了通信事務。示例包括注入一個小的直流偏置或在通斷狀态之間獨立切換。
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充非線性來完成。此功能在許多需要将交流信号疊加在信号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号的響應來測量。此外，抖動減少了滑閥等機械系統中的粘滞，加快了滑閥位置變化時的響應速度。
切換操作
如圖2所示，每個通道都支援切換操作，可在通過軟體設定的兩個值之間切換輸出電壓。切換由切換信号控制，該信号可從樹莓派或内部軟體控制寄存器的三個不同外部數字輸入（TGP0、TGP1和TGP2）中擷取。其中兩個數字信号TGP0和TGP1連接配接到樹莓派數字輸出，支援脈沖寬度調制(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，每個通道還支援将正弦抖動信号添加到模拟輸出的抖動操作。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是信号周期。
φ0是信号相位角，初始信号相位。
CN0554可配置抖動信号的幅度、周期和相位角。
抖動信号的幅度通過軟體設定，可以在設定的最大輸出電壓的0%到25%之間。
為了設定抖動頻率，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連接配接到樹莓派數字輸出，具有PWM特性，可輕松配置時鐘頻率。
抖動信号的頻率通過由4、8、16、32和64軟體可配置分頻器分頻的抖動時鐘輸入來設定，進而使用等式2來計算由此産生的抖動信号的頻率：
(2)
其中：
fsignal是産生的抖動信号的頻率。
fPWM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确控制抖動DAC通道輸出。
圖4顯示了CN0554在最大信号周期的中間電平輸出電壓下執行的抖動操作示例，在1kHz抖動時鐘下，峰峰值電壓為15.04V。
圖4.最大信号周期時的中間電平輸出電壓
圖5顯示了在最小信号周期的中間電平輸出電壓下執行的抖動操作，在1kHz抖動時鐘下，峰峰值電壓為17.6V。
圖5.最小信号周期時的中間電平輸出電壓
系統性能
- 模拟輸入噪聲性能
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.中間電平模拟輸入噪聲直方圖
圖7.滿量程模拟輸入噪聲直方圖
模拟輸出噪聲性能
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号噪聲，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耦合噪聲信号
圖9顯示了中間電平輸出時産生的13.4mV峰峰值噪聲。
圖9.來自ADC和DAC通道環回的中間電平AC耦合噪聲信号
在圖10中，電路闆在滿量程輸出時産生了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耦合噪聲信号
模拟輸出線性
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（機關：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定單調性。
圖11顯示了輸出電壓的DNL（機關：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設定值的對比。
圖11.輸出電壓的差分非線性
圖12顯示了輸出電壓的INL（機關：LSB）與單通道LTC2688輸出的16位設定值的對比。
圖12.輸出電壓的積分非線性
電源架構
CN0554直接從樹莓派40引腳接口連接配接器擷取電源。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。
LT8582是一個雙獨立通道開關DC/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模拟電源軌。該穩壓器由樹莓派接口連接配接器上的5V電源軌供電。AD7124-8數字I/O電源直接連接配接到樹莓派的3.3V電源軌。
LT3090将-18V電源軌調節至-0.1V，為AD7124-8提供略微為負的模拟電源。電源軌設計成即使在啟用輸入緩沖器的情況下，絕對模拟輸入電壓也能覆寫從接地到基準電壓的整個範圍。
常見變化
AD7124-4可用于代替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于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 ，因為電路闆設計為支援所有通道上的全部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的設定和程式。如需完整的詳細資訊，請參閱CN0554使用者指南。
裝置要求
- EVAL-CN0554-RPIZ電路評估闆
- 樹莓派4 B型
- 帶HDMI的顯示器
- Micro HDMI轉HDMI擴充卡
- USB鍵盤和滑鼠
- 16GB或更大的SD卡
- ADI公司Kuiper Linux鏡像
- 5V、3A USB Type-C電源擴充卡
- 母對母環回跳線
- 示波器
- 數字電壓表（6位或更高）
開始使用
預設情況下，ADI CN0554評估闆配置了用于測試的正确分流位置。通路EVAL-CN0554-RPIZ使用者指南以驗證分流位置。
要執行評估測試，請按以下步驟操作：
- 将EVAL-CN0554-RPIZ連接配接到樹莓派，如圖14所示。
圖14.EVAL-CN0554-RPIZ連接配接到樹莓派
- 使用母對母環回跳線電纜連接配接ADC輸入和DAC輸出通道，如圖15所示。
圖15.具有環回連接配接的EVAL-CN0554-RPIZ測試設定
- 将樹莓派的HDMI電纜連接配接到顯示器，然後将鍵盤和滑鼠連接配接到USB端口。
- 使用USB Type-C電源擴充卡為樹莓派供電，并等待樹莓派啟動。
圖16.系統測試設定
- 打開IIO示波器，卸下(undock)DMM和調試頁籤，如圖17所示。
圖17.IIO示波器DMM和調試頁籤
- 在DMM視窗中，選擇ad7124作為器件并選擇要測量的通道，例如ad7124-8:voltage0-voltage1。點選Play按鈕開始測量。
圖18.IIO示波器DMM視窗
- 在調試視窗中，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。将值設定為32768，然後點選寫入。這應該将輸出電壓設定為2.5V左右，即預設輸出範圍0V至5V的一半。
圖19.IIO示波器調試視窗
- DMM測量值應顯示約0.227V或2.5V的1/11，即預設輸入電壓衰減。
圖20.CN0554模拟I/O的環回測量
了解更多
- ADI CN0554設計支援包
- Thoren、Mark和Suteu、Cristina。“使用Python分析混合模式信号鍊中噪聲的簡單方法。”ADI公司
- 科教視訊。“使用帶連接配接模拟的樹莓派作為實驗室儀器。”ADI公司
- Fortunato、Mark。“使用混合信号晶片成功實作PCB接地——遵循最小阻抗路徑。”maximintegrated.com
- Meneu、Jean Jacques。“模拟和數字接地：混合信号設計原則。”Arrow.com
- Deprey、Rebecca。“将模拟傳感器與樹莓派結合使用。”rebeccamdeprey.com
- 樹莓派HAT簡介。raspberrypi.com
資料手冊和評估闆
涉及的資料手冊和評估闆如下：LTC2688資料手冊、AD7124-8資料手冊、AD7124-8評估闆、LT8582資料手冊、LT8582評估闆、LT3090資料手冊、LT3090評估闆、LT1790資料手冊、ADR4525資料手冊、LT5400資料手冊、ADM7160資料手冊、ADM7160評估闆
ESD警告
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| LTC2688 | 16通道、16位電壓輸出SoftSpan™ DAC |
| AD7124-8 | 內建PGA和基準電壓源的8通道、低噪聲、低功耗、24位、Σ-Δ ADC |
| LT8582 | 具有故障保護功能的雙通道3 A升壓/反相/SEPIC DC/DC轉換器 |
| LT3090 | 內建可程式設計限流值的-36 V、600 mA負線性穩壓器 |
| LT1790 | 微功耗SOT-23低壓降基準電壓源系列 |
| ADR4525 | 超低噪聲、高精度2.5 V基準電壓源 |
| LT5400 | Quad Matched Resistor Network 四通道比對電阻網絡 |
| ADM7160 | 超低噪聲、200 mA線性穩壓器 |
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