若何快速构建隔离式高电压、高电流测量模块_电压_电流

对此，ADI设计出一套大略易用的隔离电流和电压丈量系统电路（如图1），可用于工业、电信、仪器仪表和自动化测试设备（ATE）运用。
系统具有电气隔离特性，主掌握器和丈量接地之间最高可容许+/-250V。
该隔离设计包含数字数据和电源域旗子暗记；无需从被丈量的电路供应额外的电源。

图1.CN0548功能框图

电流输入范围为+/-10A，可选电压输入范围为16V至80V，可以选择这些值之间的多个范围。
电压和电流输入采取16位分辨率、可调的输出数据速率和旗子暗记带宽，包括抑制50Hz和60Hz线路噪声的模式。

该电路兼容Arduino尺寸平台板，支持1.8V至5V逻辑电压。
与开源固件示例配对时，运用软件能够利用libiio库，通过Linux工业输入/输出(IIO)框架轻松与参考设计通信，该库包括C、C#、MATLAB、Python和LabVIEW的绑定。

评估和设计支持

电路描述

电压和电流丈量连接

可将CN0548配置为支持多种丈量情形。
电流检测输入可以将正极或负极电压输入端子，或两者之间的任何电压作为基准电压源，且丈量接地与开拓平台和所连接主机的接地隔离。

图2显示用于丈量一个具有15V接地电源和接地负载的电路的连接。
在负载的高端丈量负载电流。

图2.+15V高端电流和电压丈量

图3显示用于丈量负载低端（接地回路）的负载电流的连接。

图3.+15V低端电流和电压丈量

图4显示用于丈量-48V电源的连接，在负载的接地回路上丈量电流。

图4.-48V电压和电流丈量

图5显示高端电流丈量连接，电源电压高达250V。
电压丈量通道的输入端可以容许高达+/-250V的电压，而不造成破坏，输出将达到饱和，不会产生有效的丈量。

图5.+250V系统电流丈量

电压输入

LT1997-2精密高压漏斗放大器内置匹配的电阻网络，将输入电压调节到ADC的输入电压范围内。
该器件的增益偏差为0.006%，增益漂移为1ppm/°C。
可以通过对+INA、+INB、+INC、-INA、-INB和-INC输入进行引脚短接来选择38个独占的衰减因数，通过CN0548上的跳线实现。
表1列出了5种跳线设置，涵盖大部分运用和电路的许可输入电压。
请参考LT1997-2数据手册查看衰减因数的综合列表。
把稳，应在将CN0548连接至带电电路之前配置增益设置跳线，在连接至带电电路时，不得移动跳线。

图6.电压范围和极性电路

表1.电压范围跳线配置

输入范围

衰减

+INA

+INB

+INC

-INA

-INB

-INC

80V

20

断开

-VIN

+VIN

断开

+VIN

-VIN

40V

10

+VIN

断开

断开

-VIN

断开

断开

27V

6.67

-VIN

断开

+VIN

+VIN

断开

-VIN

20V

5

断开

+VIN

断开

断开

-VIN

断开

16V

4

断开

断开

+VIN

断开

断开

-VIN

通过如表2所示配置LT1997-2 REF引脚和AD7798 AIN3引脚电压，可以将CN0548电压输入设置为单极或双极输入范围。

表2.单极/双极电压配置

丈量模式

LT1997-2 REF

AD7798 AIN3-

输入范围（80V范围）

单极性

GND

GND

0V至80V

双极性

2.048V

2.048V

-40V至+40V

电流输入

AD8418A是一款双向高压零漂移电流检测放大器。
其固定增益为20V/V，具有10kHz带宽，在全体事情温度范围内的最大增益偏差为±0.15%。
放大器的输出电压直接连接至ADC的通道1、AIN1-和AIN1+。
AD8418A供应出色的输入共模抑制，范围为-2V至+70V。
如表3所示，AD8418A通过ISENSE输入端子之间的10mΩ、2W电流检测电阻实行双向电流丈量。
在双极性模式下，最大输入电流为+/-10A。
单极输入范围为0A至高达14A，受到检测电阻的功耗限定。
AD8418A输出哀求与GND之间具有32mV裕量；请参阅单极和双极电流丈量测试结果。

图7.电流输入旗子暗记调理和极性电路

表3.单极/双极电流配置

丈量模式

AD8418A REF

AD7798 AIN1-

输入范围

单向

GND

GND

0至14A

双向

2.048V

2.048V

-10A至+10A

模数转换

AD7798是一款16位低功耗高精度∑-∆模数转换器(ADC)，用于丈量宽动态范围、低频率旗子暗记，例如压力传感器、称重和精密丈量运用中的旗子暗记。
AD7798具有三个缓冲差分输入，带有可编程仪表放大器和片内数字滤波。
100mV至5.25V外部基准电压决定满量程输入范围。
AD7798的输出数据速率可由用户编程，范围为4.17至470sps；丈量带宽以及噪声灵敏性与输出数据速率成正比。
大多数电源丈量运用不须要高采样率，可以利用较低输出数据速率模式供应的窄带宽。
此外，16.7sps和更低的采样率可以供应对50Hz和60Hz线路噪声的同步抑制。
AD7798根据输出数据速率利用轻微不同的滤波器类型，以尽可能降落内部噪声源造成的影响。
图8显示16.7Hz模式下的滤波器相应。
请参阅AD7798数据手册，查看关于所有滤波器模式的完全详细解释。

图8.AD7798滤波器相应，16.7Hz更新速率模式

AD7798的仿照输入是全差分输入，输入范围为

。
当输入电压处于无缓冲模式且仪表放大器闲置时，绝对电压可以扩展到任一供电轨，这是CN0548默认利用的配置。

CN0548向AD7798供应高电平缓冲旗子暗记，因此可以将增益设置为1并禁用缓冲器，以尽可能扩大输入范围。
4.096V基准电压产生的输入范围为+/-4.096V，乃至在ADC输入即是或稍低于接地值时，读数也是有效的。

基准电压

CN0548板上利用两个基准电压。
A级LT6657（如图9所示）为AD7798供应4.096V基准电压。
此器件为带隙基准电压源供应非常低的噪声；在0.1Hz至10Hz带宽内，仅供应0.5ppmP-P，或者均匀值为1.24μVp-p。
它采取大型输出电容保持稳定，该电容用于降落高频噪声，并为AD7798的动态采样电流供应低阻抗。
LT6657对4.096V输出基准电压源的电压调度率常日低于1ppm/V。
负载调度率也低于2µV/mA。
负载电流中5mA的变革仅使输出电压偏移10µV。

图9.4.096V ADC基准电压源

LT6656为VSENSE放大器、ISENSE放大器和ADC负输入供应2.048V偏置电压，使输入端口能够支持双极范围。

噪声性能

LT1997-2的最高输出噪声电压按4衰减，约为1μVp-p。
LT6657供应约2μVp-p输出噪声。
总值（和的平方根）为1μVp-p和2.0μVp-p，或1.7μVp-p。
AD7798的量化噪声为62.5μV，因此将是电压丈量中的紧张噪声源。
在80V输入范围内，折合为输入的噪声约为1.2mV。

在电流丈量模式下，AD8418A的输入噪声电压为2.3μVp-p，范围为0.1Hz至10Hz。
增益为20时，输出真个反射噪声电压为20×2.3μVp-p，或46μVp-p。
这仍旧略低于AD7798的量化噪声。
虽然固定、无噪声输入可能产生几个闪烁码，仍旧可将AD7798视为紧张的噪声源。

电源与SPI隔离

LTM2886 µModule的5V串行外设接口(SPI)版本供应隔离型+/-5V电源和隔离型SPI通信。
无需利用外部组件，解耦电容集成在模块中。
LTM2886对接地层之间的共模瞬态具有极高的耐受度；通过大于30kV/us的共模事宜保持无偏差运行。
LTM2886包含一个独立的逻辑电源引脚，许可主机侧的逻辑电平电压为1.62V和5.5V之间的任何电压。

电路板隔离

图10和图11显示的是电路板隔离栅。
该板用于在接地之间供应最大爬电间隔，串联采取2个额定值为250V的安全型Y2电容，以降落来自LTM2886的内部开关稳压器的传导噪声。

图10.顶层PCB隔离

图11.底层PCB隔离

常见变革

要实现更高分辨率的ADC，可以利用AD7799 24位Σ-Δ ADC作为替代选项。
如果AD7798/AD7799须要2.5V基准电压源，建议利用ADR381或ADR391低噪声低功耗基准电压源。

对付更低满量程电流运用，AD8417是双向、零漂移、电流检测放大器，具有60V/V增益。

在须要旗子暗记输入衰减和放大的运用中，LT1997-3是一种可选放大器。
LT1997-3将精密运算放大器与高度匹配的电阻相结合，构成可以准确放大电压的单芯片办理方案。
在不该用外部组件的情形下，可以实现高达0.0714的衰减，高达+14、精度为0.006% (60ppm)的增益。

CN0548接地之间的最大电位差为+/-250V，受470pF旁路电容限定。
更高电压的运用哀求修正或移除旁路电容；LTM2886本身可以承受接地之间的2500VRMS，持续1分钟。

对付哀求在隔离侧供应更高电压的运用，可以选择利用LTM2883器件。
LTM2883是一款完全的6通道数字µModule®（微模块）电气隔离器。
隔离侧包含±12.5V和5V标称电源，每个电源可以供应超过20mA负载电流。
每个电源可以利用单个外部电阻来调节其标称值。

电路评估与测试

EVAL-CN0548-ARDZ通过EVAL-ADICUP3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸开拓板进行测试。
有关完全设置详情和其他主要信息，请访问CN0548用户指南。

设备哀求

开始利用

要设置EVAL-CN0548-ARDZ和干系软件，请利用以下步骤：

1. 如图12所示，连接EVAL-ADI-CUP3029平台板顶部的EVAL-CN0548-ARDZ。

2. 利用附带的micro USB电缆将EVAL-ADICUP3029连接到PC。

3. 在PC中，将预师长西席成的.hex文件拖放到DAPLINK驱动器中。
参考用户指南查看最新的hex文件。

4. 按3029_RESET按钮，或先拔出再重新插入USB电缆来重置ADICUP3029。

5. 通过设备管理器(Windows)或TTY设备文件(Linux)来确定EVAL-ADICUP3029 COM端口。

6. 打开CN0548_simple_plot.py示例Python脚本。
（请参考用户指南获取脚本位置。
）根据提示设置跳线和输入COM（或tty）端口编号。

7. 为了进行电压检测丈量，如图13和图14所示连接主直流源的喷鼻香蕉接头。
将输出电压设置为5.99V至6V，限流值设置为3.9A至4A。

8. 为了进行电流检测丈量，如图17和图18所示连接主直流源的喷鼻香蕉接头。

图12.主机连接

电压丈量测试设置

EVAL-CN0548-ARDZ是在单极和双极模式下测试的，按照100mV步长，分别扫描0-40V和-40至+40V输入电压。
如图13和图14所示，比较EVAL-CN0548-ARDZ板的读数和Keithley DMM7510 7-1/2数字万用表的读数。
LT1997-2的衰减值设置为20，并且AD7798和LT1997-2的基准电压在单极丈量模式下设置为0V，在双极丈量模式下设置为2.048V。

图13.电压输入测试设置

图14.电压输入测试设置图片

单极和双极电压测试结果

图15和图16显示3个独立的CN0548板的未校正输出。
结果符合LT1997-2、LT6657和AD7798精度规格哀求。
转换函数中的非线性“步长”是LT1997-2进入“over-the-top”模式的点。

图15.单极精度（未校准）

图16.双极精度（未校准）

电流丈量测试设置

EVAL-CN0548-ARDZ是在单极和双极模式下测试的，按照100mA步长，分别扫描0A至9A和-9A至+9A输入电流。
如图17和图18所示，比较EVAL-CN0548-ARDZ板的读数和Keithley DMM7510高分辨率7½数字万用表的读数。

图17.电流输入测试设置

图18.电流输入测试设置图片

单极和双极电流丈量测试结果

图19和图20显示3个单独的CN0548板的未校准精度。
增益偏差紧张取决于±1%公差电流检测电阻。

图19.单极电流丈量偏差

图20.双极电流丈量偏差