SAR型ADC的基准源在变频电源控制系统中的应用

王林春，何文学，谢稳，王卓，杨凡

(中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙410021)



SAR型ADC的基准源在变频电源控制系统中的应用

王林春，何文学，谢稳，王卓，杨凡

(中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙410021)

摘要根据ADC的内部结构和基准电路的设计要点，详细说明了电压基准源设计的重要性，并结合ADS8568型芯片的基准电源设计在变频电源控制系统的应用设计实例，明确了电压基准源设计对变频电源控制系统数据采集精确度的重要性，同时增加了变频电机供电电源的稳定性。

关键词变频电源；ADC；逐次逼近；电压基准

0引言

逐次逼近寄存器型模拟数字转换器(SAR-ADC)因其具有低功耗、高精度和小尺寸等特点，在便携式测量仪表、笔形输入量化器以及变频器控制系统的信号采集等产品上应用广泛。SAR型模拟数字转换器是采样速率低于5MSPS的常见结构，它的分辨率一般为8位至16位。然而，随着应用的日益增多，作为SAR模数转换器应用的关键技术-电压基准源的设计将是不可或缺的重点。如果基准都不精确、干净、稳定，那转换出来的结果将会严重失真而影响系统的稳定和可靠性。

1工作原理

逐次逼近寄存器型ADC的内部原理如图1所示。ADC在采样过程中输入引脚VIN要对内部的采样电容C充电。而转换过程中，VREF基准源引脚要对电容转化网充电，也即SAR型ADC的采样保持和量化过程，都是对内部电容的充电过程。

图1逐次逼近寄存器型ADC的内部原理框图

在整个采样转换周期里，ADC只需要从VIN电路中抽取一次电荷，而要从VREF基准源抽取N次电荷(N等于ADC的位数)，而且抽取的周期更短。这就要求基准源在整个转换过程中，能够更快的给转换网络电容充电，并且保持基准源电压的恒定。图2为一个典型的ADC外接基准源电路。多数情况下，会关注基准源的初始精度，但这个精度是可以通过软件或硬件调整的。然而SAR-ADC的电压基准电路设计有很多更值得关注的地方，像图中VREF引脚外接的10uF电容，它主要是给ADC内部的转换网络提供电荷，至关重要，但常被忽略。

图2典型的ADC外接基准源电路图

2高质量电压基准源电路的设计

REF50XX系列是TI公司最新设计的带隙电压基准芯片，它以低噪声、极低的温度漂移和极高的输出电压精度以及迷你的封装而备受好评。本文以此电压基准芯片设计为例，展示实际测量的数据图表，来详细的解释一个高质量电压基准源电路的设计要点。REF50XX的芯片引脚定义图和内部原理框图如图3和图4所示。

图3REF50XX的芯片引脚定义图

图4内部原理框图

2.1给REF50XX基准芯片的Trim引脚上加退偶电容

根据以往的设计经验，大家都会参照REF50XX芯片的推荐应用将Trim引脚悬空，不加退偶电容，这样设计输出的基准电压会存在很大的噪声而造成基准不稳。我们仔细查看图4发现其芯片内部有一个1.2V的带隙基准和一个用于设置精确输出电压的放大器，这两个就是基准噪声的主要来源，并且带隙基准的噪声还要经过后面的放大电路再放大一次。根据噪声系数(NF)理论，最前级的噪声往往决定信号链路的噪声，因此越在前级减少噪声越有效。如果在芯片的Trim引脚上加一个退偶电容，它将与内部的1KΩ电阻形成一个低通滤波器，这样可以给带隙增加一个14.5Hz的极点和160Hz的零点，要想进一步降低带宽可以加大电容的容值。本次设计中我们在Trim引脚上对地接入一个1uF的电容。

2.2在基准芯片输出端选用大电容，最好是阻抗大的电容

在基准芯片的输出端外接一个大电容的目的是用来储存足够多的电荷，以备ADC内部转换电容抽取时，保证基准源电压的稳定。根据ADC芯片手册可知，SAR-ADC内部的采样电容和转换电容的值一般为几十个pF，对于一个16bits的ADC来说，如果外部基准电压有15ppm的波动，就相当于一个LSB。因此要保证输送给内部转换电容充分电荷时基准电压的稳定，在基准的输出端就要使用大电容，最好在uF级。但是这个电容的选取又会引出一个新问题，我们该选阻抗小的瓷片电容还是阻抗大的钽电容。根据经验判断，电容的阻抗值越小越好，但对于基准源的输出端电容，就不是这样了。我们根据图4就可以看出，这个电容是作为基准电压源内部缓冲放大器的负载而接到输出端的。在运放的输出端接大电容，这会引起运放的不稳定，因为电容与运放的输出电阻形成一个新的极点，这个极点频率会很低，故在此应该选择阻抗大的电容，这个阻抗会对整个电路进行滞后补偿。由表1的测试结果可知，使用大阻抗的钽电容做基准源输出端的电容时，基准源的噪声确实会下降一些，在实际的电路设计中基于成本的原因，也可以选用瓷片电容，但需要在瓷片电容与基准源输出端串接一个小电阻来提高阻抗就能达到同样的效果。

表1　不同阻抗值电容对应的噪声测量值

2.3在基准电压源的输出端加低通滤波器

在本文的上述内容中讲到在基准电压源输出端选择加载一个阻抗大的电容来做内部缓冲放大器的负载，但它还是会引入一个极点，这就有可能使缓冲输出端的噪声增加。图5是基准电压源噪声频谱图。

图5基准电压源噪声频谱图

据图可知，在大约9kHz的地方有一个尖峰存在，这个尖峰成了基准源输出噪声的主要部分。由官方资料可知，在80kHz带宽内测量的有效值电压值大约为16.5uV。如果将这个基准接到SAR-ADC中，在65kHz频率范围内的峰-峰值约为138uV。基于外加电容所造成的基准源内部缓冲不稳定而引起的噪声增加，可以引入一个低通滤波器来有效的滤除。图6是增加低通滤波器后的基准源噪声频谱图，通过对比后发现增加后的效果是很明显的。

图6增加低通滤波器后的基准源噪声频谱图

2.4为基准电压源的输出增加外部缓冲

在基准电压源输出端增加低通滤波器电路是不能直接连接到SAR-ADC的基准源输入引脚上的。原因就是，如果基准电压源输出端增加的驱动电容上的电荷被ADC的基准源电路抽走了，基准源要为电容充电，而电容后面增加的低通滤波器构成的RC电路有一个时间常数Г。这个Г会造成驱动电容电荷得不到及时补充而使这个电容上的电压出现下降。为了解决这个问题，我们引入基准源缓冲器这个关键器件，即选用一个运放加在基准源滤波电路后面作为外部的缓冲器。这个缓冲器的选择是很有讲究的，因为它不只是增大基准源的驱动电流，更重要的是快速给驱动电容充电。当驱动电容的电荷被ADC抽走时，势必造成电容的正端的电压微小下降，这时就会引起缓冲运放的输出电压下降，进而引起运放的反馈系统的响应，使输出电压回到原来的值，也就是等于VREF基准源的电压值。要想使输出电压值迅速回到原VREF值的过程会受限于两个因素：首先，运放能否快速反馈调整输出电压回到原值，这就需要一个宽带宽、高响应速率的运放做缓冲器，而且还需要高精度。再次，运放要有足够的驱动能力，可以快速给后面的电容充电。本文选用OPA350来做基准源的缓冲器，因为OPA350的增益带宽积(GBW)为38MHz，而输入失调电压典型值为±150uV，指标和能力完全能担当电压基准的缓冲器这一重任。

2.5基准电压源输出引脚上电容值的确定

在本文上述内容当中就基准源输出引脚上电容类型的选取做了说明，本段将进一步对这个电容的取值做最后的确定。一般在ADC的数据手册当中会给出这个电容的推荐值，我们在设计时尽可能选择这个值或以上的容值。由于ADC在每个转换周期过程中都会从基准源引脚抽取电荷，基准源引脚电容电荷的减少必然会引起电容电压的降低。这个由公式V=Q/C，当Q发生变化时V也会发生变化。在最坏的情况下，这个电容电压的减小，不能及时得到前面基准源外部缓冲器给这个电容充电(这主要取决于缓冲器的响应速度)。这就使得在转换开始到结束基准源的电压已经发生了ΔVref的变化，要使得这一变化对ADC采样值无影响，就必须要求ΔVref<1/2LSB。有了这一限制条件，我们就可以推算出这个电容的值。根据ADS8568数据手册可知基准源平均电流Iavr=1uA,完成一个转换所需最快时间T=1.7us。由此可以计算出ADC在完成一个转化输出时，需要的总电量Q=Iavr×T= 1uA×1.7us。我们选择的ADS8568是一个16bits的ADC，当模拟AVDD=5V时，一个LSB的电压值为LSB=FSR/2^16 = 76uV，那么1/2的LSB为38uV。由电容的定义公式C=ΔQ/ΔV=(1uA ×1.7us)/38uV=0.045uF。我们在设计时为了保险，一般将驱动电容C的值选择为计算值的5～10倍，并选用E24型标准的电容值。

3应用效果

根据上述的计算和分析，并结合我公司工程项目的应用需求，本文设计选用TI公司最新设计的8通道16位同步采样模数转换器ADS8568，本芯片运用外部基准源芯片REF5025给系统提供2.500V的基准电压，最终的实例设计电路图如图7所示，图中基准源引脚的电容值选取为0.22 uF，为了保证基准源外部缓冲器工作的稳定，电容的阻抗>0.2Ω。本实例目前应用在一个大功率同步电动机变频器控制系统中，经过试验检测，数据采集精度高，达到预期目的。

图7设计电路图

4结语

本文通过对试验变频电源控制系统的逐次逼近寄存器型ADC的电压基准这一关键技术的深入研究，并结合项目实施的应用分析，设计出了合适的基准电路图。让广大工程技术人员进一步明白ADC的基准源设计对变频电源控制系统数据采集的稳定和精确度的重要性。

参考文献

[1]康华光. 电子技术基础模拟部分.第五版[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]王成元.现代电机控制技术.北京：机械工业出版社，2008.8.

[3]陈荣.永磁同步电机控制系统.北京：中国水利水电出版社，2009.7.

[4]ADS8568 datasheet[Z].Texas Instruments Corporation,2011.10.

The Application of SAR Type of ADC Reference Source to Variable Frequency Power Source Control System

WangLinchun,HeWenxue,XieWen,WangZhuo,andYangFan

(China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd.,Changsha 410021, China)

AbstractAccording to internal structure of ADC and design essentials of reference circuit, the importance of designing voltage reference source is described in detail. Based on the design example of ADS8568 type of chip put out by TI Company, this paper makes clear the importance of voltage reference source design for data acquisition precision of variable-frequency power source control system.

Key wordsVariable-frequency power source；ADC；successive approximation；voltage reference

收稿日期：2016-01-08

作者简介：王林春男1965年生；毕业于西安交通大学机械工程专业，现从事技术及管理工作.

中图分类号：TM301.2

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2016)02-0022-04

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.06