设计说明

本指导设计介绍了如何扩大具有集成模拟前端 (AFE) 的 SAR ADC 的输入范围，以及如何通过实施两点校准法来降低精度损失。该设计采用了满量程范围为 ±10V 的 ADS8598H，并将可接近的输入范围扩展到了 ±40V。因此，该设计可使用更宽的输入范围，且无需额外增加模拟电路来进行降压；相应地，它使用了简单的分压器来与该器件的 AFE 进行交互，从而在该器件输入附近进行降压。您可以实施校准方法来消除可能会出现的误差。

此外还有一个类似的指导设计，即在集成 AFE 中减少外部 RC 滤波器对增益和漂移误差的影响：±10V，最高 200kHz，16 位，该设计介绍了如何测量外部元件引入的漂移，对于本应用也非常有用。增加 ADC 可以测量的输入范围对许多终端设备非常有用，例如以下设备：数据采集模块、多功能继电器、交流模拟输入模块 和轨道交通控制单元。

规格

设计说明

1. 使用低温漂电阻器来降低由于温漂引入的误差，例如 50ppm/°C（1% 容差）或更佳的性能。请注意，随着电阻器值上升至 1MΩ 及以上，低温漂精密电阻器的价格可能会变得更加高昂。
2. 此配置通常都需要输入滤波器。但如果直接将其放置在大输入阻抗之后，则可能会由于电容器漏电而造成误差。如果需要输入滤波电容器，本设计中还提供了一个备用原理图。

元件选型

该器件的内部阻抗为 1MΩ，外部电阻器的选择则是基于所需的扩展输入范围 (Vin)，在本例中该范围为 ±40V。该外部电阻器会结合该器件的内部阻抗形成一个分压器，将 ADC 输入引脚上的输入电压 (Vin_ADC) 降低至 ±10V 的器件输入范围内。

1. 整理用于求解外部电阻器值的分压器方程式。该方程式稍后还可用于通过输入电压计算预期的 Vin_ADC 值。
   
2. 求解实现期望扩展输入电压所需的外部电阻器值。Vin = ±40V，Rin = 1MΩ
   

根据所使用的外部电阻器值，可将输入扩展至各种范围。

非校准测量

在测量 ADC 电压输入和测量的精度时，我们使用了 ±40V 满量程范围内的不同直流输入值。以下方程式展示了如何计算通过 ADC 读取的模拟电压。FSR 在这里是指系统的满量程范围，在本例中该值为 40V。该方程式中添加了因数 2，因为这是一个双极性输入，其中输入范围实际上为 ±40V（也就是 80V 的范围）。此方程式中的 Vout_ADC 的范围为 ±40V，对应的是系统输入。

该值的百分比误差通过以下方程式计算得出：

两点校准

通过施加校准，可消除外部电阻器引入的读数误差。两点校准法会在 ADC 线性范围内施加两个分别与满量程输入范围相差 0.25V 的测试信号并对其进行采样。然后，使用这些样本测量值计算线性传递函数的斜率和偏移量。校准将会消除外部电阻器引入的增益误差和内部器件的增益误差。

1. 施加 –39V 的测试信号：

   Vmin	测得的代码
   -39V	-128689

2. 施加 39V 的测试信号：

   Vmax	测得的代码
   39V	128701

3. 计算斜率和偏移量这两个校准系数：
   
   
4. 将校准系数应用至后续的所有测量：
   

备用原理图（具有滤波器电容器）

由于使用的是高值电阻器，因此加入电容器会显著影响各种读数，例如更高的漂移。这是由于电容器的漏洞造成的。这种漏电会随时间和温度的变化而变化，而且由此造成的误差很难通过校准消除。如果需要输入滤波器，则可以使用该备用原理图来实施该滤波器。该电容器应放置在外部电阻器前面（相对于输入信号而言），且需通过一个平衡的电阻器/电容器滤波器进行放置。

备用原理图（具有滤波器电容器）- 元件选择

外部抗混叠 RC 滤波器可减小噪声，并防止因电气过载而造成损坏。此外，平衡的 RC 滤波器配置是实现良好共模噪声抑制效果的必要条件；正负输入路径上均添加了匹配的外部电阻器。正如设计说明 中所述，这些外部电阻器也必须为低温漂电阻器。

1. 根据所需的截止频率选择 R 的值。本示例使用的截止频率为 320Hz，因此该电阻器值为 10kΩ。

   R = 10kΩ

2. 选择 C_FIL
   

   可用的标准电容器最接近值 C_FIL = 24nF

设计中采用的器件