采用ADC和隔离式Δ-Σ调制器的数据采集系统

电流隔离是许多工业应用中的一项关键要求。隔离提供了诸如断开噪声接地环路等技术优势，而且其还可避免终端用户和敏感设备遭受具有潜在危险性的高电压和瞬变。

按图 1 所示可以构建一个隔离型电流监视采集系统：利用一个电流分流器将输入电流转换为模拟电压，并把该电压馈送至一个模数转换器 (ADC)。



假如能够构建一个如图 1 所示的系统，那么它就面对着如下的问题：为什么要用一个隔离型 Δ-Σ 调制器来取代全 ADC 与数字隔离器的组合呢？为什么要选择一个如图 2 中所示的系统呢？



虽然隔离型采集系统的首要任务是在所需的数据速率下实现高精度和准确度，但是利用图 2 中给出的系统能实现一种辅助功能。可以在 Δ-Σ 调制位流上实现两个数字信号处理路径 (DSP)。例如：假设主路径利用一个 256 的因子对输入位流（比如：在 20 MHz 频率下提供的）进行抽取。这个主要的 DSP 路径可在 78.1 kSPS 的采集速率下提供高分辨率的电流测量。

接着，可实现一个辅助的 DSP 路径，其目标是在发生短路事件时生成一个报警信号。这个辅助的 DSP 路径接受由主路径实施并行处理的相同 Δ-Σ 调制位流，但其采用的是一个低得多的抽取因子。例如：倘若辅助抽取因子选为 4，则用户获得一个 5 MSPS 的辅助信号输出。将该信号实时地与一个预设阈值进行比较；如果此阈值被超过，那么将发出一个命令信号以断开安全继电器或切断敏感组件的供电。单个 Δ-Σ 调制器允许用户利用极少的组件实现这两个 DSP 路径。

需要提及在选择一个较低抽取因子时所做的折衷，这一点很重要：较低的抽取因子（也被称为“过采样比 [OSR]”）降低了滤波器输出的分辨率。图 3 示出了针对某一给定的 OSR 以及 TMS320F28377D 中各种可用滤波器类型的系统分辨率（用“有效位数 [ENOB]”来表达）。



两种系统架构（图 1 和 2）均实现了高精度。主要的差异是可利用单个 AMC1304M25 隔离型 Δ-Σ 调制器来实现双重（a) 高精度和 b) 报警信号）发布功能。替代型架构需要使用两个 ADC：一个运行于 78.1 kSPS 的高精度 ADC 和另一个运行在 5 MSPS 的较低精度转换器。

把隔离势垒集成到单颗 IC 中使得基于 AMC1304M25 的解决方案能够节省板级空间并减少组件数量，从而简化电路板装配、提高可靠性及降低总体解决方案成本。

图 2 给出的解决方案在一款新型电流检测参考设计中进行了展示：tiPD165。以该参考设计为指导，系统设计人员将拥有一个对 AMC1304M25 和  TMS320F28377D 进行实验的完整平台。TIPD165 中包括的图形用户界面 (GUI) 和固件可在设计人员启动隔离式电流检测设计时为其提供进一步的帮助。

图 4 示出了该 GUI 的图形面板。用户可以在这里观测主要的 AC 和 DC 性能。



正如在 TIPD165 中展示的那样，AMC1304M25 和 TMS320F28377D 提供了一个用于隔离型采集系统的稳健平台。AMC1304M25 的隔离规格与 TMS320F28377D 的处理能力相结合，使得设计人员能够打造出可快速响应过流事件的高精度系统。

相关资源：

• TIPD165：基于分流器的隔离型电流检测参考设计
• 来自《模拟应用杂志》：具有低功耗的隔离型检测系统