【導(dǎo)讀】數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可編程邏輯控制器(PLC)需要多功能的高性能模擬前端，以便與各種傳感器進(jìn)行接口，來精確、可靠地測(cè)量信號(hào)。根據(jù)傳感器具體類型和待測(cè)電壓/電流幅度的不同，信號(hào)可能需要放大或衰減，從而匹配模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的滿量程輸入范圍，以供進(jìn)一步的數(shù)字處理和反饋控制。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型電壓測(cè)量范圍是從±0.1 V到±10 V。通過選擇正確的電壓范圍，用戶間接的更改系統(tǒng)增益，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入端的采樣電壓幅度最大，進(jìn)而最大程度地提高信噪比(SNR)和測(cè)量精度。在典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要衰減的信號(hào)與需要放大的信號(hào)分別通過不同的信號(hào)路徑進(jìn)行處理，這通常導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，需要額外的器件，并且占用更多的電路板空間。在同一信號(hào)路徑中實(shí)現(xiàn)衰減和放大的解決方案一般使用可編程增益放大器和可變?cè)鲆娣糯笃鳎@些放大器往往不能提供許多工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用所需的高直流精度和溫度穩(wěn)定性。
有一種方法可以構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的模擬前端，以便在單一信號(hào)路徑中實(shí)現(xiàn)衰減和放大，并且提供差分輸出來驅(qū)動(dòng)高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖1所示，將一個(gè)可編程增益儀表放大器(PGIA)，如AD8250 （增益為1、2、5或10）,AD8251（增益為1、2、4或8）或AD8253（增益為1、10、100或1000）等，與一個(gè)全差分漏斗（衰減）放大器，如AD8475等級(jí)聯(lián)。該解決方案簡單靈活，具有高速特性，并提供出色的精度和溫度穩(wěn)定性。
上述可編程增益儀表放大器提供5.3 GΩ差分輸入阻抗和–110 dB總諧波失真(THD)，非常適合與各種傳感器接口。當(dāng)增益為10時(shí)，AD8250的保證特性包括：3 MHz帶寬、18 nV/√Hz電壓噪聲、685 ns的0.001%建立時(shí)間、1.7 μV/°C失調(diào)漂移、10 ppm/°C增益漂移以及90 dB共模抑制比（DC至50 kHz）。精密直流性能與高速能力的結(jié)合，使得這些放大器非常適合具有多路復(fù)用輸入的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
AD8475是一款高速、集成精密電阻的全差分漏斗放大器，提供0.4或0.8倍的精密衰減、共模電平轉(zhuǎn)換、單端差分轉(zhuǎn)換及輸入過壓保護(hù)等功能。這個(gè)易于使用、完全集成的精密增益模塊采用+5 V單電源供電時(shí)，可以處理最高±10 V的信號(hào)電平。因此，它能使工業(yè)電平信號(hào)與低壓、高性能、采樣速率高達(dá)4 MSPS的16位和18位逐次逼近(SAR)型ADC的差分輸入范圍匹配。
如圖1所示，AD825x和AD8475配合工作，構(gòu)成一個(gè)靈活的高性能模擬前端。表1列出了可以實(shí)現(xiàn)的增益組合，具體取決于輸入和輸出電壓范圍要求。
圖1. 使用AD825x PGIA和AD8475差分輸出漏斗放大器的數(shù)據(jù)采集模擬前端
表1. AD8475與AD8250、AD8251或AD8253組合可以實(shí)現(xiàn)的輸入電壓范圍和增益
能力：輸入電壓范圍和帶寬
采用±15 V電源供電時(shí)，AD825x系列PGIA的最大輸入電壓范圍約為±13.5 V（AD8250和AD8251提供最高超過電源軌13 V的額外過壓保護(hù)）。在本應(yīng)用中，對(duì)PGIA輸入電壓范圍的有效限制由ADC輸入的滿量程電壓范圍和從傳感器到ADC的信號(hào)路徑增益設(shè)置。例如，18位2 MSPS PulSAR ADCAD7986采用2.5 V單電源供電，典型基準(zhǔn)電壓為4.096 V，其差分輸入支持最高±4.096 V的電壓（輸入電壓0 V至4.096 V和4.096 V至0 V）。如果模擬前端的總增益設(shè)置為0.4，即AD825x的增益為1，AD8475的增益為0.4，則系統(tǒng)可以處理的輸入信號(hào)最大幅度為±10.24 V。
為了確定系統(tǒng)所需的增益設(shè)置組合，應(yīng)考慮ADC (VFS)的滿量程輸入電壓以及傳感器預(yù)計(jì)會(huì)提供的最小/最大電流或電壓電平。
就其精度和功能水平而言，該模擬前端的速度和帶寬極為出色。該電路的速度和帶寬由下列因素共同決定：
● AD825x建立時(shí)間：對(duì)于10 V輸出電壓躍遷，AD8250的0.001%（16位）建立時(shí)間為615 ns。
● AD825x壓擺率：AD825x的壓擺率在20 V/µs到30 V/µs之間，具體取決于增益設(shè)置。AD8475的壓擺率為50 V/µs，因此系統(tǒng)受限于AD825x的壓擺率。
● 抗混疊濾波器(AAF)截止頻率：該濾波器由用戶定義，用于限制ADC輸入端的信號(hào)帶寬，防止混疊，并提高信號(hào)鏈的信噪比（詳情參閱放大器和ADC的數(shù)據(jù)手冊(cè)）。
● ADC采樣速率：AD8475可以驅(qū)動(dòng)最高4 MSPS的18位分辨率轉(zhuǎn)換器。
許多數(shù)據(jù)采集和過程控制系統(tǒng)需要測(cè)量壓力、溫度和其它低頻輸入信號(hào)，因此前端放大器的直流精度和溫度穩(wěn)定性對(duì)于系統(tǒng)性能至關(guān)重要。許多應(yīng)用使用多個(gè)傳感器，這些傳感器以輪詢方式多路復(fù)用連接到放大器輸入端。通常而言，輪詢頻率遠(yuǎn)大于目標(biāo)信號(hào)的帶寬。當(dāng)多路復(fù)用器從一個(gè)傳感器切換到另一個(gè)傳感器時(shí)，放大器輸入端經(jīng)歷的電壓變化是未知的，因此設(shè)計(jì)必須考慮最差情況——滿量程電壓躍遷。放大器必須能夠在所分配的切換時(shí)間內(nèi)從該滿量程躍遷完成建立，該建立時(shí)間還必須短于ADC采集信號(hào)所需的建立時(shí)間。
在AD8475與ADC輸入端之間，建議使用一個(gè)抗混疊濾波器(AAF)，以便對(duì)提供給ADC輸入端的信號(hào)和噪聲帶寬進(jìn)行限制，防止不需要的混疊效應(yīng)，并提高系統(tǒng)的信噪比。此外，AAF能夠吸收一些ADC輸入瞬變電流，因此該濾波器也能在放大器與ADC的開關(guān)電容輸入端之間提供某種隔離。AAF通常利用簡單的RC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，如圖1中所示。濾波器帶寬通過下式計(jì)算：
許多情況下，該濾波器的R和C值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，以便為ADC提供必需的帶寬、建立時(shí)間和驅(qū)動(dòng)能力。如需具體建議，請(qǐng)參閱ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)。
結(jié)束語
AD8475與AD825x系列PGIA相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)一種簡單靈活、高性能、多功能的模擬前端。針對(duì)信號(hào)放大和衰減處理，該模擬前端可以提供多種可編程的增益組合，從而優(yōu)化不同的測(cè)量電壓范圍。AD825x的性能和可編程能力非常適合多路復(fù)用型測(cè)量系統(tǒng)，AD8475則能提供出色的接口來連接精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器。兩種放大器協(xié)調(diào)工作以保持傳感器信號(hào)的完整性，為工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)提供一個(gè)高性能模擬前端。
有關(guān)AD8475用作精密逐次逼近型ADC驅(qū)動(dòng)器的更多信息，請(qǐng)參閱電路筆記CN-0180：用于工業(yè)級(jí)信號(hào)的精密、低功耗、單電源、全集成差分ADC驅(qū)動(dòng)器。
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