24位4.7Hz、4通道模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路圖

　　電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是一種靈活的信號調(diào)理電路，用于處理寬動態(tài)范圍（從幾mV p-p到20 V p-p）的信號。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）來提供必要的調(diào)理和電平轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)動態(tài)范圍。

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

　　此外，小信號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。

　　圖1. 適合寬工業(yè)范圍信號調(diào)理的靈活模擬前端電路

　　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。輸入信號經(jīng)過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，最高可處理±10 V的信號電平。因此，AD8475適用于衰減來自AD8226且最高20Vp-p的信號，同時維持高CMR性能并提供差分輸出來驅(qū)動差分輸入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（G = 1、8、16、32、64或128）意味著可直接向該ADC輸入小信號。

　　結(jié)合上述器件，對幅度會變化的信號而言，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)自動化、過程控制、儀器儀表和醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用。

　　電路描述

　　該電路包含一個ADG1409多路復(fù)用器、一個AD8226儀表放大器、一個AD8475差動放大器、一個AD7192Σ-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、低壓差線性穩(wěn)壓器，適合工業(yè)應(yīng)用。

　　該電路選擇4.096VADR444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)。

　　輸入開關(guān)和保護(hù)

　　ADG1409 多路復(fù)用器擁有2位二進(jìn)制地址線，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：（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RG電阻設(shè)置AD8226的增益。對于該電路，省略了RG，且儀表放大器級的增益為1。因此，AD8226的輸出為VSxA–VSxB，其中x為輸入通道編號。

　　AD8226的差分輸入由兩個4.02k電阻和一個10nF電容進(jìn)行濾波，這些電阻和電容構(gòu)成一個截止頻率為2.0kHz的單極點(diǎn)RC濾波器。兩個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，以匹配來自AD8475的差分輸出信號。 AD7192的滿量程輸入范圍為±VREF/增益，其中±VREF=REFINx（+）-REFINx（-）。

　　AD7192中的緩沖器使能時，輸入通道會驅(qū)動緩沖放大器的高阻抗輸入級，此模式下的絕對輸入電壓范圍將限制在AGND+250mV至AVDD-250mV。增益級使能后，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±（AVDD-1.25V）/增益以內(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，為了最充分地利用ADC的動態(tài)范圍，可按表1所示對信號進(jìn)行衰減或放大。

　　表1. AD8475和 AD7192內(nèi)置PGA的各種輸入范圍增益配置

　　差分衰減放大器

　　為了驅(qū)動低壓ADC，±0V或±5V信號需要進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換。若將差動放大器配置與精密電阻配合使用，勢必會因電阻之間出現(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，并使動態(tài)范圍最大化。此引腳可保持懸空，并利用一個精密分壓器進(jìn)行內(nèi)部偏置，該分壓器由電源與地之間的兩個200M電阻組成，從而在該引腳上提供中間電源電壓。

　　由兩個100電阻和一個1F電容組成的一個單極點(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)速率和建立時間

　　AD7192Σ-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)速率和建立時間計(jì)算情況。

　　表2. 不同配置的輸出數(shù)據(jù)速率和建立時間

　　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于適當(dāng)?shù)腜CB布局，包括但不限于電源旁路、信號路由以及適當(dāng)?shù)碾娫磳雍徒拥貙?。有關(guān)PCB布局的詳情，請參見指南 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， 請參見指南 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SINC4濾波器的情況下，噪聲性能如圖2所示，500個樣本的噪聲分布直方圖則如圖3所示。該電路中測得的峰峰值噪聲約為 3.9 μV（見圖2），均方根噪聲為860 nV。這相當(dāng)于峰峰值（無噪聲碼）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SINC4濾波器時一些數(shù)據(jù)速率和增益設(shè)置條件下的AD7192均方根噪聲。

　　圖2. 噪聲輸出（VREF = 4.096 V， AVDD = 5 V， Output Data Rate = 4.7 Hz， a Rate = 4.7 Hz，

　　圖3. 噪聲直方圖（VREF = 4.096 V，AVDD =5 V，輸出數(shù)據(jù)速率 = 4.7Hz，增益 = 1，斬波禁用，SINC4濾波器）

　　表3. 斬波禁用且采用一個SINC4濾波器時不同輸出數(shù)據(jù)速率和增益設(shè)置條件下的AD7192系統(tǒng)均方根分辨率（減去2.7位以獲取峰峰值或無噪聲碼分辨率）

　　常見變化

　　可使用其它集成PGA的24位或較低分辨率的Σ-Δ型ADC，例如AD7190、AD7193、AD7797和 AD7799。如果無需對輸入信號進(jìn)行衰減， 則可使用功耗低于AD8475 的 AD8476。

　　在無需衰減和高輸入阻抗的應(yīng)用中，可將AD7192 直接連接到傳感器，以避免模擬前端調(diào)理電路引入的噪聲。例如，滿量程輸出電壓較小的稱重傳感器無需衰減，因此可以直接連接到AD7192 差分輸入端（參見 CN-0102、 CN-0107、 CN-0108、 CN-0118、 CN-0119和 CN-0155）