AMC1204的应用指南

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        摘要

        AMC1204 是一款二阶隔离Delta-Sigma 调制器，由于其出色的直流特性、交流特性及隔离特性，广泛应用在通信电源系统、逆变器、整流器、UPS 及电机控制中，可实现系统电源电压及电流的检测和监控。本文简单介绍了AMC1204 的工作原理，重点讨论输入采样电阻阻抗对AMC1204 转换精度的影响以及调制器输出滤波器的设计。
         
        1、AMC1204 简介
        AMC1204 是一款二阶隔离Delta-Sigma 调制器。如图1 所示，它使用TI 特有的电容隔离技术，满足UL1577，IEC60747-5-2 及CSA 认证标准，隔离工作电压可达1200Vpeak，瞬间隔离电压达4000Vpeak，共模瞬态抑制在15KV/us 以上。电容隔离器件具有同电感隔离器件相比更高的磁场抗扰性及可靠性，同光耦隔离器件相比更低的功耗等这些显著的优点，同时AMC1204 内部集成了高精度的Delta-Sigma 调制器，电路设计简单，被广泛应用于通信电源系统、逆变器、整流器、UPS 及电机控制等场景。
         

       

        图1 AMC1204 内部示意框图

         
        AMC1204 具有出色的直流特性，DNL 误差小于1LSB，INL 误差最大为8LSB(-40℃至85℃)，失调误差1mV，增益误差小于2%。如果将失调和增益误差校正后，不考虑电源及温度的影响，由ADC 引入的误差仅为0.012%。此外，AMC1204 也表现出了不错的交流特性， SNR 可达88dB，THD 可达-96dB，有效位数ENOB 可达14bit(OSR=256， 滤波器)。因此，AMC1204 可以满足绝大多数高精度系统的使用要求。图2 是在通信系统电源中的一个检测电压和电流的典型应用电路，该电路使用两片AMC1204 实现对48V 电源的电压监测及负载电流检测，输出数字信号给后端进行处理，不需要额外使用隔离器件，应用电路设计更简单、更可靠。
         

       

        图2 48V 通信电源电压/电流检测电路

        2、外围电路设计对转换精度的影响分析
        在电路设计中，影响AMC1204 转换精度主要是外围电路的电阻取值，尤其在通过电阻分压电路测试电压值的应用场景中。下面分析输入采样电阻对AMC1204 转换精度的影响。
         
        2.1、输入等效电路及分析
        AMC1204 的输入等效电路如图3 所示，在一个时钟周期内，完成一次采样/放电，输入等效电阻 。当AMC1204 的输入时钟频率为5MHz 时，等效阻抗约为50KΩ；当输入时钟频率为20MHz 时，等效阻抗约为12.5KΩ。如果待测信号的阻抗较大，则输入等效阻抗的影响不能忽略，因为这将可能严重影响到ADC 转换的精度。因此，实际使用时，需要根据系统的性能要求，选择满足测量精度的采样电阻值。
         

       

        图3 AMC1204 输入等效电路

         

        以图4 所示电路为例， 如果不考虑器件输入等效电阻的影响， 输入差分电压理论值为
        。考虑到输入等效电阻， 实际输入差分电压应为 。
         

       

        图4 AMC1204 测试电路

         

        以 =1/30 为例，则当=0.01 时，由输入等效电阻 引入的误差约为0.96%；当=0.001 时，由输入等效电阻 引入的误差约为0.1%。因此，实际应用时，如果要系统精度达到1%以上，则需要采样电阻的阻抗小于0.01，以尽量减小由输入采样电阻引入的误差。
         
        2.2、电路设计例子
        使用图4 所示电路测量不同输入采样电阻和时钟频率情况下AMC1204 转换精度。实验使用 作为调制器后端的硬件滤波器，滤波器配置为 型，过采样率(OSR)设置为256。实验结果如表1 所示。 是输入电压的目标值， 是VINP 管脚与VINN 管脚之间电压实测值， ’ 是VINP 管脚与VINN 管脚之间电压理论计算值(考虑到输入阻抗的影响)， 是由调制器的输出经滤波器后的转换结果。
         
        / 取值30kohm/1kohm

Input Clock	(mV)	’(mV)		偏差(%)	(mV)	误差1(%， 相对于 )	误差2(%，相对于 )
5M Hz	-161.146	-158.1341	-158.07	0.0405	-157.417	0.4131	2.3141
10M Hz	-161.146	-155.1905	-155.13	0.0390	-154.339	0.5099	4.2241
15M Hz	-161.146	-152.3546	-152.19	0.1081	-151.762	0.2812	5.8233
20M Hz	-161.146	-149.6204	-149.67	-0.0331	-148.881	0.5272	7.6111

         
        / 取值3kohm/100ohm

Input Clock	(mV)	’(mV)		偏差(%)	(mV)	误差1(%，相对于 )	误差2(%，相对于 )
5M Hz	-160.86	-160.6159	-160.57	0.0286	-159.927	0.4004	0.5800
10M Hz	-160.86	-160.3071	-160.19	0.0731	-159.429	0.4751	0.8896
15M Hz	-160.86	-159.9995	-159.80	0.1249	-159.185	0.3849	1.0413
20M Hz	-160.86	-159.6931	-159.40	0.1839	-158.511	0.5577	1.4603

         
        / 取值300ohm/10ohm

Input Clock	(mV)	’(mV)		偏差(%)	(mV)	误差1(%，相对于 )	误差2(%，相对于 )
5M Hz	-162.50	-162.5083	-162.43	0.0482	-161.665	0.4710	0.5138
10M Hz	-162.50	-162.4766	-162.33	0.0903	-161.616	0.4398	0.5440
15M Hz	-162.50	-162.4450	-162.23	0.1325	-161.528	0.4327	0.5982
20M Hz	-162.50	-162.4134	-162.12	0.1810	-161.333	0.4854	0.7182

        注：实验所选电阻精度为1%，实际测量值由Agilent U1251A 型号万用表测得，AMC1204 的失调误差和增益误差未校正(以上测试结果供参考)。

        表1 不同输入采样电阻和时钟频率下的转换结果

         

        2.3、小结
        以上实验结果可以看出，实测的输入电压值与考虑到输入阻抗计算得到的理论值 基本一致，实验得到的数据与理论分析基本吻合。输入时钟频率直接决定了AMC1204 的输入阻抗，输入采样电阻值相对于AMC1204 的输入阻抗越低，输入采样电阻的影响就会越小。因此，在一些测量电压的应用场景下，如果采样电阻值无法减小，可以使AMC1204 工作在较低的时钟频率以提高输入阻抗，获得较高的转换精度。当然，降低输入时钟频率是以牺牲转换速率为代价的。此外，如果无法通过降低输入时钟频率和输入采样电阻的方式提高精度，还可以通过软件方法对AMC1204 的失调误差和增益误差进行校正，即对表1 中的误差指标进行额外补偿，以提高系统精度，获得最佳的系统性能。
        3、调制器输出滤波的设计
        AMC1204 输出1 比特位宽由0 和1 组成的数据流，数据流中1 的密度与模拟输入电压成正比。当输入电压为250mV 时，输出1 的比例为89.0625%；当输入电压为-250mV 时，输出1 的比例为10.9375%；当输入电压为0mV 时，输出1 的比例为50%。当输入电压从-250mV 到+250mV 之间，AMC1204 的转换性能可以得到保障。为了得到真实的输出数据信息，一般需要在输出后端进行数字滤波处理，实际应用中可以采用以下两种滤波器对输出数据进行处理。
         
        3.1、移动平均滤波器
        移动平均滤波器比较简单，它是取输入信号的最近的一些值，进行算术平均，相当于一个低通滤波器，滤除高频分量，保留低频分量。在时钟clk 的上升沿，对AMC1204 输出的高脉冲进行计数，计算M 个clk 的上升沿时，对应的高电平脉冲个数N。则，对应的转换结果为(640*N/M-320)mV。平均的项数越多，即M 越大，则得到变化越缓慢的输出信号，但得到的精度也越高。
         

       

        图5 AMC1204 输出数据波形

         

        需要注意的是，在实际应用中，这种方法必须平均尽可能多的输入信号才能获得比较高的精度。移动平均滤波器实现比较简单，不需要单独增加DSP 或FPGA 即可实现。但是，移动平均滤波器的频域效果较差，滚降较慢，因此，在检测低频信号及对精度要求不高的应用中，可以考虑使用这种方法。但是，对于精度要求比较高的应用中，需要考虑使用性能更好的滤波器，如Sinc 滤波器。
         
        3.2、Sinc 滤波器
        Sinc滤波器具有良好的频域特性，较低的成本和功耗，延时较低，因此，广泛用作Delta-Sigma DAC 的滤波器。Sinc 滤波器可通过专门的滤波器芯片或者通过FPGA 或DSP 算法来实现。
         
        AMC1210 是一个4 通道的数字滤波器，芯片输出接口可设置为SPI 接口或者并行接口方式，方便与CPU 进行数据通信。数字滤波器可设置为Sincfast， ， 或者方式。实际应用时，由于滤波器具有更好的低通特性，建议将AMC1210 配置为 滤波器，过采样率(OSR)设为256以获得最优的转换结果。
         

       

        图6 AMC1204 与AMC1210 的连接

         

        此外，也可以通过FPGA 或DSP 来实现Sinc 滤波器算法。滤波器的基本架构如图7 所示。

         

       

        图7 调制器与抽取滤波器的基本架构

         

        以下是用VHDL 语言实现SINC3 滤波器的一段示例程序。其中，CNR=MCLK/M，M 为抽取率(即过采样率OSR)。

         

       

        图8 数字滤波器架构

         

        图8 的示例代码：

        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 => &#39;0&#39;);

        Z2 <= (others => &#39;0&#39;);

        Z3 <= (others => &#39;0&#39;);

        elsif MCLK'event and MCLK = &#39;1&#39; then

        Z1 <= Z1 + MOUT;

        Z2 <= Z2 + Z1;

        Z3 <= Z3 + Z2;

        end if;

        end process;

        process(CNR, RESN)

        begin

        if RESN = &#39;0&#39; then

        Z4 <= (others => &#39;0&#39;);

        Z5 <= (others => &#39;0&#39;);

        Z6 <= (others => &#39;0&#39;);

        Z7 <= (others => &#39;0&#39;);

        elsif CNR'event and CNR = &#39;1&#39; then

        Z4 <= Z3;

        Z5 <= Z3 - Z4;

        Z6 <= Z3 - Z4 - Z5;

        Z7 <= Z3 - Z4 - Z5 - Z6;

        end if;

        end process;

        CN5 <= Z7;

        end RTL;

        4、结论

        应用高性能隔离Delta-Sigma调制器AMC1204时，为了确保转换精度，需要注意外围输入电路的设计，选择合适的输入采样电阻以及时钟频率，使得输入采样电阻阻值相对于输入等效阻抗尽量小，以此降低输入电阻引起的转换误差；同时选择合适的输出滤波器，以满足整个系统对测量精度的要求。

         

        5、Reference

        [1] AMC1204 datasheet

        [2] AMC1210 datasheet