原创 SPI接口ADC隔离方案

 2009-8-22 13:24  8652 9 9 分类: 通信

ADuM1411在隔离SPI接口ADC中的应用

关键字：ADuM1401 ADuM1411

引言

数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。目前的数据采集主要由AD转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号，再传输到控制芯片进行处理。SPI（Serial Peripheral interface），即串行外围设备接口，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，由于其在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，出于这种简单易用的特性，很多AD转换器都以SPI总线方式传输数据。

在工业现场的数据采集中，由于现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压。容易造成SPI接口无法正常工作，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。因此，在强干扰环境中，或是高的性能要求下，就必须对SPI总线各个通信节点实行电气隔离。

传统的SPI总线隔离方法是光耦合器技术，使用光束来隔离和保护检测电路以及在高压和低压电气环境之间提供一个安全接口。目前一般使用6N137光电隔离器件，以Toshiba公司的6N137为例，该器件工作电压为5V，最高速率10Mbps，工作温度一般为0℃到70℃，隔离电压2500Vrms，并且以DIP8型封装，每个芯片仅提供一个隔离通道。这些性能已经限制了6N137在更高要求的环境中应用。因此，ADI公司推出的新型四通道数字隔离器ADuM1411以其诸多优于光电隔离器件的性能优点，在SPI总线以及其他高要求情况下有着广泛的应用前景。

ADuM1411

ADuM1411基于ADI获奖的iCoupler数字隔离器平面磁场专利隔离技术。iCoupler技术是一项专利隔离技术，它是基于芯片尺寸的变压器，而不是基于光电耦合器所采用的LED与光电二极管的组合。iCoupler技术由于取消了光电耦合器中的光电转换过程，并且采用了iCoupler变压器专利技术集成变压器驱动和接收电路，从而实现了光电隔离器无法比拟的性能优势。由于使用晶片级制造工艺直接在芯片上制造iCouple变压器，所以iCoupler通道比光电耦合器有效地实现通道之间的集成以及比较容易地实现其它半导体功能，并且在体积、功耗、性能、使用各方面均有光电隔离器件所无法比拟的优势。

ADuM1411所隔离的两端有各自的电源和参考地，电源电压范围在2.7V到5.5V之间，这样可以实现低电压供电，从而进一步降低系统功耗。电源和参考地之间需要接入0.01μF到0.1μF电容，以滤除高频干扰，电容和电源之间的距离应该在20mm以内，这样可以达到更好的滤波效果。由于四个隔离通道高度匹配，通道间串扰很小，并且采用四通道输入输出反向设计，非常适合SPI总线的收发特性，大大简化可隔离器与所隔离两端的硬件连接。需要注意的是GND1与GND2是两个不同的参考地，否则将达不到隔离的效果。

另外需要注意的是ADuM1411正常工作时，两端的供电源需要同时上电才能保证ADuM1411四通道都能正常工作，如果有一端没有上电会导致整个芯片无法正常工作。

在使用集成SPI接口的AD转换器采集数据时，四通道数字隔离器ADuM1411用来实现AD转换器和控制芯片之间的电气隔离，以到达更好的抗干扰性能。

以下是ADuM1411在集成SPI接口的AD转换器数据采集系统中的典型连接电路图：

图1、ADuM1411用于SPI总线隔离

若SPI总线后需挂接多节点，推荐使用ADuM1401，此型号芯片在前端信号为空闲状态时，能够通过控制引脚使后端输出为高阻状态。

隔离芯片ADuM1411处于系统的中间，用来隔离各个传感器节点，它比传统的光电隔离具有更好的性能，ADuM1411消除了传统光电隔离器不确定的传输速率，非线性的传输函数，以及温度和寿命对器件的影响，不需要其他的驱动和分立元件，提供了更稳定的转化性能，而且在相同的信号传输速率下功耗只有光电隔离器的1/10到1/6。由图1可见，ADuM1411以单一芯片实现了SPI总线节点之间的电气隔离，而且ADuM1411内部通道为三正一反的特殊结构，非常适合于SPI总线信号的传输，大大简化了系统的硬件结构，同时，由一个隔离芯片代替以往的四个，大大增加了通道间的匹配程度，使系统获得更好的隔离性能。