圖1所示電路是一種靈活的信號(hào)調(diào)理電路，用于處理寬動(dòng)態(tài)范圍(從幾mV p-p到20 V p-p)的信號(hào)。該電路利用高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的內(nèi)部可編程增益放大器(PGA)來(lái)提供必要的調(diào)理和電平轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍。

在過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，±10 V滿(mǎn)量程信號(hào)非常常見(jiàn)；然而，有些情況下，信號(hào)可能小到只有幾mV。用現(xiàn)代低壓ADC處理±10 V信號(hào)時(shí)，必須進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換。但是，對(duì)小信號(hào)而言，需要放大才能利用ADC的動(dòng)態(tài)范圍。因此，在輸入信號(hào)的變化范圍較大時(shí)，需要使用帶可編程增益功能的電路。

此外，小信號(hào)可能具有較大的共模電壓擺幅；因此需要較高的共模抑制(CMR)性能。在某些源阻抗較大的應(yīng)用中，模擬前端輸入電路也需要具有高阻抗。

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圖1所示電路解決了所有這些難題，并提供了可編程增益、高CMR和高輸入阻抗。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)4通道ADG1409 多路復(fù)用器進(jìn)入 AD8226低成本、寬輸入范圍儀表放大器。AD8226低成本、寬輸入范圍儀表放大器。AD8226提供高達(dá)80dB的高共模抑制(CMR)和非常高的輸入阻抗(差模800ΩM和共模400ΩM)。寬輸入范圍和軌到軌輸出使得AD8226可以充分利用供電軌。

AD8475是一款全差分衰減放大器，集成精密增益電阻，可提供精密衰減(G=0.4或G=0.8)、共模電平轉(zhuǎn)換及單端差分轉(zhuǎn)換功能。AD8475是一種易于使用、完全集成的精密增益模塊，采用單電源供電時(shí)，最高可處理±10 V的信號(hào)電平。因此，AD8475適用于衰減來(lái)自AD8226且最高20Vp-p的信號(hào)，同時(shí)維持高CMR性能并提供差分輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)差分輸入ADC。

AD7192是一款內(nèi)置PGA的24位Σ-Δ型ADC。片內(nèi)低噪聲增益級(jí)(G = 1、8、16、32、64或128)意味著可直接向該ADC輸入小信號(hào)。

結(jié)合上述器件，對(duì)幅度會(huì)變化的信號(hào)而言，該電路可以提供非常好的性能且易于配置。該電路適合工業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程控制、儀器儀表和醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用。

該電路包含一個(gè)ADG1409多路復(fù)用器、一個(gè)AD8226儀表放大器、一個(gè)AD8475差動(dòng)放大器、一個(gè)AD7192 Σ-Δ型ADC(使用ADR444基準(zhǔn)電壓源)以及 ADP1720穩(wěn)壓器。只需少量外部元件來(lái)提供保護(hù)、濾波和去耦，使得該電路具有高集成度，而且所需的電路板(印刷電路板[PCB])面積較小。

穩(wěn)壓器和基準(zhǔn)電壓源的選擇

該電路選擇ADP1720-5作為5 V穩(wěn)壓器。它是一款高壓、微功耗、低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，適合工業(yè)應(yīng)用。

該電路選擇4.096V ADR444作為基準(zhǔn)電壓源。它是一款超低噪聲、高精度、低壓差器件，特別適合高分辨率、∑-△型ADC和精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

輸入開(kāi)關(guān)和保護(hù)

ADG1409 多路復(fù)用器擁有2位二進(jìn)制地址線(xiàn)，可用于選擇四種可能的輸入通道之一。該設(shè)計(jì)還包括外部保護(hù)功能，如標(biāo)準(zhǔn)二極管和瞬態(tài)電壓抑制器，用以增強(qiáng)電路的魯棒性。這些在圖1中并未顯示，但是在CN0251設(shè)計(jì)支持包的詳細(xì)原理圖及其它文檔中有所展示。

ADG1409多路復(fù)用器配置為接收四路差分輸入信號(hào)：(VS1A?VS1B)、(VS2A?VS2B)、(VS3A?VS3B)和(VS4A?VS4B)。多路復(fù)用器的輸出(DA和DB)施加于 AD8226儀表放大器的輸入端。

AD8226輸入儀表放大器

外部R_G電阻設(shè)置D8226的增益。對(duì)于該電路，省略了R_G，且儀表放大器級(jí)的增益為1。因此，AD8226的輸出為VSxA–VSxB，其中x為輸入通道編號(hào)。

AD8226的差分輸入由兩個(gè)4.02k電阻和一個(gè)10nF電容進(jìn)行濾波，這些電阻和電容構(gòu)成一個(gè)截止頻率為2.0kHz的單極點(diǎn)RC濾波器。兩個(gè)1nF電容增加了截止頻率為40kHz的共模濾波。

AD7192ADC PGA增益配置

AD7192配置為接收差分模擬輸入，以匹配來(lái)自AD8475的差分輸出信號(hào)。AD7192的滿(mǎn)量程輸入范圍為±V_REF/增益，其中±VREF=REFINx(+)-REFINx(-)。

AD7192中的緩沖器使能時(shí)，輸入通道會(huì)驅(qū)動(dòng)緩沖放大器的高阻抗輸入級(jí)，此模式下的絕對(duì)輸入電壓范圍將限制在AGND+250mV至AVDD-250mV。增益級(jí)使能后，緩沖器輸出將施加于PGA的輸入端，模擬輸入范圍必須限制在±(AV_DD-1.25V)/增益以?xún)?nèi)，因?yàn)镻GA需要額外的裕量。因此，采用4.096V基準(zhǔn)電壓源和5V電源時(shí)，為了最充分地利用ADC的動(dòng)態(tài)范圍，可按表1所示對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減或放大。

差分衰減放大器

為了驅(qū)動(dòng)低壓ADC，±0V或±5V信號(hào)需要進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換。若將差動(dòng)放大器配置與精密電阻配合使用，勢(shì)必會(huì)因電阻之間出現(xiàn)失配而導(dǎo)致CMR性能下降。AD8475電平轉(zhuǎn)換器/衰減器集成精密激光調(diào)整匹配電阻，可確保低增益誤差、低增益漂移(最大33ppm/°C)和高CMR特性。

AD8475提供兩個(gè)引腳可選的增益選項(xiàng)，即0.4和0.8。VOCM引腳用于調(diào)整精密電平轉(zhuǎn)換的輸出共模電壓，以便匹配ADC的輸入范圍，并使動(dòng)態(tài)范圍最大化。此引腳可保持懸空，并利用一個(gè)精密分壓器進(jìn)行內(nèi)部偏置，該分壓器由電源與地之間的兩個(gè)200M電阻組成，從而在該引腳上提供中間電源電壓。

由兩個(gè)100電阻和一個(gè)1F電容組成的一個(gè)單極點(diǎn)差分RC濾波器充當(dāng)AD7192的抗混疊和降噪濾波器，其截止頻率為800Hz。兩個(gè)10nF電容提供截止頻率為160kHz的共模濾波。

濾波器、輸出數(shù)據(jù)速率和建立時(shí)間

AD7192 Σ-Δ型ADC由調(diào)制器和數(shù)字濾波器組成。輸出數(shù)據(jù)速率(fADC)和建立時(shí)間(tSETTLE)與濾波器配置及斬波配置有關(guān)。表2顯示了不同配置情況下的輸出數(shù)據(jù)速率和建立時(shí)間計(jì)算情況。

布局考慮

該電路或其它任何高速/高分辨率電路的性能都高度依賴(lài)于適當(dāng)?shù)腜CB布局，包括但不限于電源旁路、信號(hào)路由以及適當(dāng)?shù)碾娫磳雍徒拥貙?。有關(guān)PCB布局的詳情，請(qǐng)參見(jiàn)指南 MT-031 和 MT-101以及“ 高速印刷電路板布局實(shí)用指南”一文。

系統(tǒng)性能

24位 AD7192 Σ-Δ 型ADC可在該電路中提供非常好的性能。有關(guān)Σ-Δ 型ADC的更多詳情， 請(qǐng)參見(jiàn)指南 MT-022 和 MT-023。

在配置設(shè)為斬波禁用、輸出數(shù)據(jù)速率為4.7 Hz、增益為1且采用一個(gè)SINC4濾波器的情況下，噪聲性能如圖2所示，500個(gè)樣本的噪聲分布直方圖則如圖3所示。該電路中測(cè)得的峰峰值噪聲約為3.9 μV(見(jiàn)圖2)，均方根噪聲為860 nV。這相當(dāng)于峰峰值(無(wú)噪聲碼)分辨率為20位，均方根分辨率為23位。表3顯示了斬波禁用且采用一個(gè)SINC4濾波器時(shí)一些數(shù)據(jù)速率和增益設(shè)置條件下的AD7192均方根噪聲。

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