ADS1251在高精度稳流电源中的应用

ADS1251在高精度稳流电源中的应用

谢小峰;郭宏林;杨永锋

【摘要】ADS1251是一种高精度、宽动态范围的24位△-∑结构模数转换器.介绍了AD S1251的功能特点,并给出了ADS1251芯片在数字化高精度稳流电源中用于采集转换闭环电流反馈信号的硬件电路,与微处理器的接口方法及其时序控制.【期刊名称】《电气传动自动化》

【年(卷),期】2011(033)005

【总页数】5页(P37-41)

【关键词】ADS1251;高精度稳流电源;串行接口;时序控制

【作者】谢小峰;郭宏林;杨永锋

【作者单位】南京禄口国际机场动力技术部,江苏南京210029;天水电气传动研究所有限责任公司,甘肃天水741020;甘肃烟草工业有限责任公司天水分厂,甘肃天水741020

【正文语种】中文

【中图分类】TN7

1 引言

在高精度电源的控制电路中，全数字化的控制调节器已逐步取代传统的模拟控制电路。而在数字控制器用于调节闭环的反馈回路中，负责电流及电压等模拟信号采样的模数转换器（ADC）成为影响数字调节器性能的关键硬件。

通常，在数字化高精度电源中，其数字调节器至少应包含两个调节环，即电流闭环和电压闭环。每个调节闭环的反馈回路都需要一个能满足其精度及速度要求的A／D转换器。一般来说，电流环和电压环对于A／D转换器的需求是不同的，电流环的带宽窄但是要求的分辨率和稳定度高；电压环的带宽比较宽，而对稳定度的要求低于电流环。

对于高精度稳流电源，电流环对输出电流信号的采集精度及稳定度提出了极高的要求。电流闭环反馈回路中所需的模数转换器件（ADC）需要尽可能高的分辨率和稳定度。稳流电源中，受调节器带宽的影响，电流环对速度的要求并不很高。因此△-∑型A／D转换器是最佳的选择。从通用的角度考虑，需要选择允许双极性输入的A／D转换器；而考虑到PCB板的设计及控制软件设计过程中，具备串行数据接口的A／D转换器相对更易于实现。

2 ADS1251简介

△-∑型模数转换器ADS1251具有高精度、宽动态范围、低功耗等特点，非常适合用于非高速变化信号的高精度数据实时采集转换。其分辨率达到24bit，采样速率最高可达20.8kSPS，其积分非线性误差（INL）≤15ppm，增益误差（Gain Error）＜1%，偏移误差（Offset Error）＜100ppm。综合考虑以上技术指标，该转换器是满足上述高精度稳流电源甚至超高精度稳流电源的电流采样模数转换器的最优选择。

图1 ADS1251模数转换电路硬件控制图

ADS1251采用单一的＋5V电源供电，模拟量使用差分输入方式，输出量使用简便的三线串行接口，可以很方便地与微处理器或数字信号处理器进行连接。此外，该器件为8引脚封装，外围电路设计相对简单，便于PCB设计及布板实现。

3 硬件设计

如图1所示为ADS1251模数转换电路硬件控制图，主要包含模拟量输入调理电路

及串行数字接口电路。本文所述电路中外部数字信号处理器（CPU）使用FPGA。

3.1 模拟量输入

高精度稳流电源的输出电流通常使用高精度电流传感器DCCT检测并变送为带宽介于直流至几百赫兹之间的±10V电压信号。A／D转换电路的模拟量输入端一般使用差分输入实现共模抑制。输入端外加一低通RC滤波器以消除高频噪声。

图1所示电路中，模拟量输入电路的设计使用低噪声运放OPA350搭成的反向比例放大电路，用高精密电阻保证放大倍数为1：4，这样可保证差分输入电压摆幅达到±10V，以便于接收稳流电源中常见高精度传感器电流DCCT输出的±10V电压信号。OPA350使用可调电源模块LM317LD生成的＋5.1V作为供电电源，以保证输出电压摆幅可在＋0.05V～＋5.05V 区间。同时ADS1251也使用此＋5.1V 电源供电，因此无需外加输入电阻或二极管。

基准电压使用VRE302A生成的＋2.5V，此基准电压使用运放OPA350电压跟随器电路缓冲后送入ADS1251的VREF及-VIN引脚，这样可保证低阻抗驱动-VIN 输入端。本文所述电路中设计的A／D转换输出码表如表1所示。

表1 A／D转换码表Differential input voltage＋Ain～-Ain Digital output （HEX）＋9.9999988V ＋4.9999997V 7FFFFF 1.22μV ＋2.5000003V 000001 0.00V ＋2.50V 000000-1.22μV ＋2.4999997V FFFFFF-10.00V ＋0.00V 800000 Voltage at ADS1251＋Vin pin

3.2 串行接口

表2 ADS1251串行接口功能描述信号引脚功能描述CLK 4 数字输入信号系统主时钟输入CLK＝384＊采样率DOUT／nDRDY 5 数字输出信号串行数据输出和数据就绪状态输出转换过程为输出“1”数据就绪时输出低电平脉冲数据读取时输出串行数据SCLK 6 数字输入信号串行时钟输入在每个SCLK正脉冲下，DOUT／nDRDY 引脚逐位输出数据

ADS1251转换器使用简单的三线串行接口进行控制及数据输出，数据由串行时钟SCLK控制从数据输出寄存器（DOR）输出到DOUT／nDRDY引脚。接口定义如表2所示。

由表2可知，ADS1251需要输入一个外部时钟信号CLK，即转换器的系统采样时钟。CLK控制转换过程，并决定转换器的采样率和带宽。其中，采样率＝ fCLK／384，-3dB 带宽＝0.2035＊采样率。本文所述转换电路中，采样时钟CLK可接入8MHz外部晶体谐振器提供的固定时钟，或可接入由FPGA分频后生成的可调时钟，两者通过跳线人工选择。对于8MHz外部固定时钟，则有：

在ADS1251执行数据转换的过程中，DOUT／nDRDY引脚保持高电平，当一组

新数据转换完并写入片内数据输出寄存器（DOR）供外部微处理器读取时，DOUT／nDRDY输出一个低电平脉冲，随之输出数据最高位MSB，其余数据位从高到低依次由SCLK控制输出，每周期输出一位。此外，当SCLK长期输入高电平时，ADS1251进入同步模式。

由于ADS1251输出数字量逻辑电平为＋5V，而数字信号处理器（FPGA）用户

IO引脚的接口电压为＋3.3V，所以必须使用电平缓冲器件（Buffer）完成＋5V与＋3.3V信号间的电平转换。如图1所示，外部时钟输入信号CLK和串行时钟输入信号SCLK使用74HCT244，DOUT／nDRDY信号输出使用 74LCX244，74LCX 系列器件使用＋3.3V 电源，可输入＋5V信号，适合转换ADS1251输出信号电平。

4 时序控制

ADS1251的数据转换从nDRDY上升沿开始，nDRDY信号高电平指示转换器处

于转换状态，nDRDY信号低电平指示转换结束，且转换数据送入ADC数据输出

寄存器DOR以供读取。如图2所示为ADS1251的时序图。

转换和数据读取间的同步由DOUT／nDRDY输出信号控制。DOUT／nDRDY引