CN0407 超高靈敏度飛安測量平臺

CN0407 針對更高范圍的電流測量，請使用AD8605/AD8606/AD8608或AD8615/AD8616/AD8618。這些放大器具有較高的pA級輸入偏置電流，以換取更寬的帶寬。 其他適合數(shù)據(jù)采集的ADC包括24位AD7175-2和AD7124-4。 本電路使用EVAL-CN0407-SDPZ評估板和SDP-S系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CS1Z)評估板。 評估軟件與SDP-S板通信以獲取EVAL-CN0407-SDPZ的數(shù)據(jù)。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： 帶USB端口的Windows?XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PC EVAL-CN0407-SDPZ評估板，包括低泄漏夾層板(EVAL-CN0407-1-SDPZ)和數(shù)據(jù)采集板(EVAL-CN0407-2-SDPZ) SDP-S板(EVAL-SDP-CS1Z) 9 V直流電源或壁式電源適配器 EVAL-CN0407-SDPZ評估軟件，可從以下網(wǎng)址下載：ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0407/ 另外，建議使用高質(zhì)量同軸電纜組件以將所需信號連接到電路板。 測試設(shè)置的功能框圖 圖7所示為測試設(shè)置的功能框圖。 ? 圖7.測試設(shè)置功能框圖 ? 開始使用 下載評估軟件（網(wǎng)址位于ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0407/），然后運行setup.exe文件進行安裝。 將EVAL-CN0407-SDPZ和SDP-S板連在一起，并通過USB電纜將SDP-S板連接到PC。將9 V直流電源連接到EVAL-CN0407-SDPZ板，并加載名為CN0407 Evaluation Software的用戶界面安裝程序軟件，該軟件位于Program Files -> Analog Devices下。一旦USB通信建立，SDP-S板就可以發(fā)送、接收、采集來自EVAL-CN0407-SDPZ的串行數(shù)據(jù)。 SDP-S用戶指南(UG-291)含有關(guān)于SDP-S板的詳細信息。 應(yīng)用筆記AN-1373提供了關(guān)于低電流測量的更多信息。 運行評估軟件 評估軟件有一個Sampled Data（采樣數(shù)據(jù)）選項卡，可顯示時域和頻域數(shù)據(jù)，以及一個 Configuration（配置）選項卡，可設(shè)置觸發(fā)、失調(diào)校正、板配置、手動校準等參數(shù)。 Configuration（配置）選項卡 圖8所示為Configuration （配置）選項卡。Triggering （觸發(fā)）部分以圖形方式說明了觸發(fā)功能。選中所需的復(fù)選框以使能觸發(fā)輸入或觸發(fā)輸出，并輸入觸發(fā)輸入信號、觸發(fā)輸出信號與ADC開始采集數(shù)據(jù)之間的延遲。選中Offset Cancellation（失調(diào)消除）框可測量并消除ADC輸入失調(diào)和輸入偏置電流引起的偏置誤差。 ? 圖8.Configuration（配置）選項卡 ? Board Configuration（板配置）位于Amplifier Configuration & Calibration Parameters（放大器配置和校準參數(shù)）部分，設(shè)置板配置以使其匹配夾層板上的放大器配置。交貨時放大器配置為跨阻模式，默認設(shè)置為Current Input（電流輸入）。在這種模式下，反饋電阻控制是可見的，允許將其更改為與出廠配置值不同的值。默認設(shè)置為10 GΩ。Full Scale Input Range（滿量程輸入范圍）值代表系統(tǒng)的滿量程輸入，折合到輸入端，基于反饋電阻或指定增益（配置為電壓緩沖器時）的值來計算。 除失調(diào)補償外，用戶還可以提供增益和失調(diào)值來對系統(tǒng)應(yīng)用手動校準。默認情況下，Offset Adjustment（失調(diào)調(diào)整）設(shè)置為0，Gain Adjustment（增益調(diào)整）設(shè)置為1。評估軟件中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)對應(yīng)于以下公式： ? ?? ??輸出測量結(jié)果 = (原始讀數(shù) + 失調(diào)調(diào)整) × 增益調(diào)整 LED Configuration（配置）選項卡中的Configuration （LED配置）控制板載LED。單擊General Purpose LED（通用LED）會開啟或關(guān)閉對應(yīng)的LED，即DS2（參見CN-0407設(shè)計支持包中的相應(yīng)詳細原理圖）。單擊General Purpose LED（通用LED）是驗證系統(tǒng)是否在與評估軟件通信的快捷方法。此外，若選中Turn off Board LEDs During Sampling（采樣期間關(guān)閉板載LED），則當(dāng)ADC正在采集數(shù)據(jù)時，電源(DS1)和通用LED (DS2)會關(guān)閉。使用光電二極管或其他光傳感器時，關(guān)閉板載LED可改善測量。 Sampled Data（采樣數(shù)據(jù)）選項卡 ? 圖9.Sampled Data（采樣數(shù)據(jù)）選項卡 ? Sample Rate（采樣速率）下拉框用于選擇ADC輸出數(shù)據(jù)速率，其范圍為0.83 SPS到867.3 SPS。 選擇所需采樣速率之后，選擇采集數(shù)據(jù)時長（單位為秒）。此選擇決定屏幕上顯示多少數(shù)據(jù)及存儲器中保留多少數(shù)據(jù)。單擊Start Sampling（開始采樣）即開始采集數(shù)據(jù)。若輸出數(shù)據(jù)速率為19.99 SPS或更慢，顯示畫面會以滾動窗口進行連續(xù)更新。若輸出數(shù)據(jù)速率大于19.99 SPS，則圖表的更新速率等于采集窗口的持續(xù)時間。屏幕底部的狀態(tài)欄會倒數(shù)距離下一次更新的剩余時間。 在Continuous （連續(xù)）采集中，系統(tǒng)持續(xù)采集數(shù)據(jù)，直至用戶單擊Stop Sampling（停止采樣）。在Single （單次）采集中，系統(tǒng)在達到指定的Buffer Size（緩沖器大?。┖笸Ｖ共蓸印?位于Start Sampling（開始采樣）按鈕之上的指示器會顯示時域信息，如信號的直流值和標準差等。測量直流輸入時，標準差等于信號的有效值噪聲。 Sampled Data（采樣數(shù)據(jù)）選項卡下方顯示來自系統(tǒng)的頻域數(shù)據(jù)。右邊的控件將頻域圖配置為功率譜或功率譜密度。用戶還可以配置窗口類型，使能平均值計算，配置要平均的數(shù)目。當(dāng)顯示功率譜圖時，請使用Y軸定標控件將Y軸單位設(shè)置為滿量程的dB或線性單位（伏特或安培，取決于板配置）。 單擊Save Data To CSV File（數(shù)據(jù)另存為CSV文件）可將當(dāng)前時域和頻域圖表保存為兩個逗號分隔文件。 系統(tǒng)測試 接通外部電源，啟動評估軟件。如果設(shè)備管理器中列出了Analog Devices系統(tǒng)開發(fā)平臺驅(qū)動程序，軟件便能與EVAL-CN0407-SDPZ通信。一旦USB通信建立，SDP-S板就可以發(fā)送、接收、采集來自EVAL-CN0407-SDPZ的串行數(shù)據(jù)。 要測量系統(tǒng)噪聲，務(wù)必將屏蔽體安裝在板上，并且切勿將任何東西連接到輸入SMA連接器。為實現(xiàn)最佳性能，請將整個總成放在接地的金屬箱內(nèi)。 在Configuration （配置）選項卡中，選中Offset Cancellation（失調(diào)消除）框，并確保將系統(tǒng)配置為采用10 GΩ電阻的Current Input（電流輸入）模式。在Sampled Data（采樣數(shù)據(jù)）選項卡中，從下拉框中選擇所需的采樣速率，然后單擊Start Sampling（開始采樣）。10 GΩ電阻的熱噪聲可能是系統(tǒng)的主要噪聲；因此，為獲得最佳性能，應(yīng)選擇可接受的最低采樣速率。例如，圖10顯示了以0.83 SPS采樣120分鐘時的系統(tǒng)噪聲。相應(yīng)的有效值噪聲為1.4 fA，直流值為?150 aA。 ? 圖10.輸入開路、0.83 SPS時的采樣數(shù)據(jù) ? 圖11和圖12為EVAL-CN0407-SDPZ照片，包括低泄漏夾層板和數(shù)據(jù)采集板。 ? 圖11.EVAL-CN0407-SDPZ（未安裝屏蔽體） ? 圖12.EVAL-CN0407-SDPZ照片（已安裝屏蔽體） ? 低泄漏夾層板(EVAL-CN0407-1-SDPZ) 夾層板(EVAL-CN0407-1-SDPZ)基于FR-4和Rogers 4350B混合層壓板制作，以使漏電流盡可能低。外面兩層為陶瓷(Rogers 4350B)，內(nèi)層為標準玻璃環(huán)氧樹脂薄片(FR-4)。當(dāng)濕度較大時，相比于玻璃或環(huán)氧樹脂材料，Rogers 4350B材料可提供優(yōu)異的絕緣電阻。它還能使漏電流最小，介電弛豫時間比玻璃或環(huán)氧樹脂電介質(zhì)要短得多。有關(guān)介電弛豫的更多信息，請參閱ADA4530-1數(shù)據(jù)手冊。 圖2顯示了電路板各層的堆疊情況。所有敏感走線皆位于頂層，且被保護走線、過孔和平面包圍。 圖2.夾層板各層堆疊 ? 采用玻璃電阻的跨阻放大器 圖3.低泄漏夾層板(EVAL-CN0407-1-SDPZ)詳細原理圖 ? 圖3為夾層板詳細原理圖，其中ADA4530-1配置為跨阻放大器(TIA)，采用默認的10 GΩ玻璃電阻。在此配置中，一條實心線從SMA連接器的中心引腳焊接到?IN焊盤。SMA輸入連接器的中心引腳與外屏蔽體之間有聚四氟乙烯 (PTFE)電介質(zhì)。該連接器安裝在夾層板底部，PTFE核心和中心引腳通過頂部突出。由于連接是用架空線通過突出的中心引腳連接到板頂部的焊盤，因此所有關(guān)鍵的高阻抗走線皆位于板頂部，板底部的屏蔽體因而也就不需要。頂部有金屬屏蔽體以防止靜電干擾。 默認情況下，夾層板上的器件按照表1所示進行配置和預(yù)裝。 表1.采用玻璃電阻的TIA默認設(shè)置 元件 值 R1 0 Ω R2, R3, R4, R6 開路 R5 0 Ω 反饋電阻 10 GΩ玻璃電阻位于主板的特氟龍支柱上。一個引腳（高阻抗引腳）插入夾層板上的單針插座P2中，另一個引腳焊接到數(shù)據(jù)采集板上的J4（這是一個低阻抗節(jié)點）。 采用10 GΩ反饋電阻且輸出電壓范圍為4.96 V時，對應(yīng)的電流輸入范圍為±496 pA。 采用SMT電阻的跨阻放大器配置 對于不需要玻璃電阻所提供的低漏電流性能的應(yīng)用，可以使用R2，后者支持0805、1206、1210和2510四種尺寸的SMT電阻?？缱璺糯笃髋渲萌鐖D4所示。 在該配置中，從夾層板上的P2中移除玻璃電阻引腳，用R2處的電阻代替。在該配置中，一個較小金屬屏蔽體（單獨提供）剛好貼合在夾層板上，使其尺寸更小。另外可以將夾層板移出來進行單獨評估，或作為最終系統(tǒng)的一部分與數(shù)據(jù)采集板分開評估。 圖4.采用SMT電阻的TIA配置 ? 高阻抗電壓輸出傳感器的緩沖器配置 夾層板還有焊盤可用來將放大器配置為緩沖器或同相放大器，以支持高阻抗電壓輸出傳感器。為配置該板執(zhí)行電壓調(diào)理功能，應(yīng)將一條實心線從SMA連接器的中心引腳連接到+IN焊盤，并使用表2所示的設(shè)置。 表2.電壓緩沖配置的設(shè)置 元件 值 R1, R5, R6 開路 R2, R3 所需增益對應(yīng)的值 R4 0 Ω 利用表2中的設(shè)置，SMA屏蔽體連接到保護電壓。使用Poke-Home連接器J5（夾層板底部）將接地基準電壓連接到電路。 當(dāng)該板配置為電壓緩沖模式時，如圖5所示，受ADA4530-1共模輸入電壓范圍限制，輸出范圍大約是?4.96 V至+3.5 V。如果配置放大器的閉環(huán)增益大于1，那么必須限制輸入范圍以維持放大器輸入的共模范圍。 圖5.高輸入阻抗電壓緩沖配置 ? 數(shù)據(jù)采集板(EVAL-CN0407-2-SDPZ) 數(shù)據(jù)采集板(EVAL-CN0407-2-SDPZ)包含電源管理、數(shù)字隔離、24位ADC和精密基準電壓源。除了與夾層板對接之外，此板還與SDP-S板對接，進而通過USB接口連接到PC。關(guān)于數(shù)據(jù)采集板的詳細原理圖和布局，請參閱CN-0407設(shè)計支持包(www.analog.com/CN0407-DesignSupport)。 電源管理 圖6為位于數(shù)據(jù)采集板上的電源管理部分的簡圖。外部9 V直流電源連接到管式連接器J1，為夾層板、ADC和數(shù)字隔離部分供電。電源輸入端包括瞬態(tài)過壓保護和防反接功能。三個低噪聲線性穩(wěn)壓器ADP7118分別為ADA4530-1產(chǎn)生5 V電壓，為AD7172-2 ADC的模擬前端產(chǎn)生2.5 V電壓，為數(shù)字輸入/輸出電路和隔離器產(chǎn)生3.3 V電壓。 SDP-S板為該板的隔離部分供電。 圖6.電源簡化框圖 ? 板載LED可指示電源是否接通，系統(tǒng)是否正常工作。某些應(yīng)用可能使用低靈敏度的光傳感器，故評估軟件有一個在電路板采集數(shù)據(jù)時關(guān)閉DS1的選項。 基于ADP2442構(gòu)建的反相降壓穩(wěn)壓器接受直流輸入，生成大約?5.8 V電壓。開關(guān)控制器以固定頻率模式（強制PWM）工作，相對效率較低（相比于跳脈沖模式），但開關(guān)頻率維持在接近1 MHz的恒定值，因而很容易將其濾除。整個系統(tǒng)從負電源消耗的電流小于5 mA，故較低電源效率不是問題。 反相降壓穩(wěn)壓器的輸出為兩個負電源線性穩(wěn)壓器ADP7182供電，以便為AD7172-2提供?2.5 V電壓，為ADA4530-1提供?5 V電壓。 關(guān)于數(shù)據(jù)采集板的詳細原理圖和布局，包括電源管理電路，請參閱CN-0407設(shè)計支持包(www.analog.com/CN0407-DesignSupport)。 ADC和基準電壓源 夾層板的輸出電壓范圍最大為±5 V，而AD7172-2 ADC的輸入范圍為±2.5 V。10 k?/10 k?匹配電阻分壓器將夾層板輸出電壓衰減兩倍。為使ADC引起的偏置誤差最小，ADG1419 單刀雙擲(SPDT)模擬開關(guān)將電阻分壓器輸入短接至地，并允許軟件測量ADC和電阻分壓器引起的失調(diào)誤差。當(dāng)使能失調(diào)消除功能時，軟件會將測得的失調(diào)從讀數(shù)中減去。剩下的失調(diào)全部是由ADA4530-1電路引起的。 來自AD7172-2的GPIO0數(shù)字線路(EN_ADCOFFSETCAL)控制ADG1419開關(guān)的位置。軟件寫入寄存器GP_DATA0，導(dǎo)致GPIO0輸出0或1。該輸出以?2.5 V為基準，故ADG1419的接地引腳連接到?2.5 V，而不是地。 ADR4525為ADC提供一個低噪聲、高精度基準電壓源。ADC前端由±2.5 V電源供電，故ADR4525 GND引腳也連接到?2.5 V電源。此連接在AD7172-2的REF+和REF?引腳之間產(chǎn)生2.5 V基準電壓。 觸發(fā)輸入和觸發(fā)輸出 EVAL-CN0407-SDPZ板含有觸發(fā)輸入和觸發(fā)輸出控制，用以簡化電路板與外部設(shè)備的連接。觸發(fā)輸入和觸發(fā)輸出信號均使用標準TTL電平。 當(dāng)通過軟件使能觸發(fā)輸入時，系統(tǒng)等到觸發(fā)輸入信號的上升沿出現(xiàn)后，便開始采集數(shù)據(jù)。類似地，當(dāng)使能觸發(fā)輸出時，系統(tǒng)輸出一個上升沿時便開始采集數(shù)據(jù)。 夾層板的清潔和操作 只能握住夾層板的邊緣，切勿觸碰SHIELD1屏蔽輪廓線內(nèi)的區(qū)域。 若要對夾層板上的器件進行再加工，必須適當(dāng)清潔該板以清除焊劑、含鹽水分、塵土等污染物，以維持其低泄漏性能。污染物可能會嚴重降低其飛安測量性能。 有效的清潔程序包括如下步驟： 通過潔凈室級別的異丙醇對電路板進行超聲波浴，持續(xù)15分鐘。超聲波清洗使用高頻率的超聲波，可在清洗液中創(chuàng)建氣穴。此過程有助于清除板表面和難以觸及的焊接器件下方區(qū)域上的污染物。下一個清潔步驟需要使用新鮮的異丙醇。 用鑷子將板從超聲波浴中移出。使用異丙醇沖洗板以清除污染殘留物。 將板浸沒于異丙醇中并用酸刷輕輕擦洗。重點擦洗U1引腳、J1和保護環(huán)之間的區(qū)域，以及屏蔽輪廓線內(nèi)的區(qū)域。 使用異丙醇沖洗板。 最后再用異丙醇沖洗一次板的頂部和底部。 用壓縮的干燥空氣吹干電路板。在U1引腳、到J1的輸入走線和保護環(huán)周圍區(qū)域吹入空氣。同時要向J1和U1下方吹入壓縮空氣。 確保板完全干燥，在125°C烤箱中烘烤板15分鐘。 清潔之后，記住將金屬屏蔽體放在板上。金屬屏蔽體有助于防止外物接觸到保護區(qū)域。 CN0407 超高靈敏度飛安測量平臺 CN0407 圖1中的系統(tǒng)功能圖顯示了一個用于飛安級電流測量的精密模擬前端。這個業(yè)界前沿的解決方案非常適合化學(xué)分析儀和實驗室級儀器使用，其中需要超高靈敏度模擬前端來對光電二極管、光電倍增管、法拉第筒等電流輸出傳感器進行信號調(diào)理?？梢允褂迷摻鉀Q方案的應(yīng)用包括質(zhì)譜分析、色譜分析和庫侖分析。 EVAL-CN0407-SDPZ為實際應(yīng)用提供了一個參考設(shè)計，它將系統(tǒng)劃分為一個低泄漏夾層板和一個數(shù)據(jù)采集板。輸入信號調(diào)理利用夾層板上的ADA4530-1實現(xiàn)。ADA4530-1是一款靜電計級放大器，其輸入偏置電流非常低，在85°C時最大值為20 fA。片上集成一個保護環(huán)緩沖器，用以防止輸入引腳電流泄漏至印刷電路板(PCB)。放大器默認配置為跨阻模式，采用10 GΩ玻璃電阻和金屬屏蔽體，防止漏電流進入電路板上的任何高阻抗路徑。此外，夾層板含有未焊接的電阻和電容焊盤，方便用戶利用表貼反饋電阻開發(fā)原型產(chǎn)品和實現(xiàn)其他輸入配置。 數(shù)據(jù)采集板采用AD7172-224位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，由9 V單直流電源供電。板載電源輸出兩塊PCB所需的全部電壓。該板通過SDP-S板(EVAL-SDP-CS1Z)連接到PC，并采用數(shù)字隔離防止來自USB總線或接地環(huán)路的噪聲影響低電流測量。 圖1.飛安測量系統(tǒng)功能框圖（未顯示所有連接和解耦） ? CN0407

• 飛安測量
• 靜電計級輸入放大器
• 輸入偏置電流：20fA（最大值，85°C）
• 24位Σ-Δ型ADC

(analog)