低成本、低功耗的同步解調(diào)器的設(shè)計(jì)

集成式同步解調(diào)器

ADA2200集成式同步解調(diào)器采用獨(dú)特的電荷共享技術(shù)來(lái)執(zhí)行模擬域內(nèi)的分立式時(shí)間信號(hào)處理。該器件的信號(hào)路徑由輸入緩沖器、FIR抽取濾波器(進(jìn)行抗混疊濾波)、可編程IIR濾波器、相敏檢波器以及差分輸出緩沖器組成。其時(shí)鐘生成功能可將激勵(lì)信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)鐘同步。通過(guò)SPI兼容接口可配置可編程特性。

24位Σ-Δ型ADC AD7192生成的4.92 MHz時(shí)鐘用作主機(jī)時(shí)鐘。ADA2200生成濾波器和PSD時(shí)鐘所需的一切內(nèi)部信號(hào)，此外還在RCLK引腳上生成激勵(lì)信號(hào)。該器件將主機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行1024 分頻，以便生成4.8 kHz信號(hào)，控制CMOS開(kāi)關(guān)。CMOS開(kāi)關(guān)將低噪聲3.3 V源轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDT的方波激勵(lì)信號(hào)。用于激勵(lì)源的3.3 V電源還用作ADC基準(zhǔn)電壓源，因此電壓源中的一切漂移都不會(huì)降低測(cè)量精度。在滿量程位移處，LVDT輸出1.6 V峰峰值輸出電壓。

抗混疊濾波

LVDT輸出和ADA2200輸入之間的RC網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)VDT輸出信號(hào)提供低通濾波，同時(shí)產(chǎn)生使解調(diào)器輸出信號(hào)最大所需的相對(duì)相移。如前所述，圖2b顯示了最大PSD輸出發(fā)生在相對(duì)相移為0°或180°處。ADA2200具有90°相位控制，因而還可以使用±90°相對(duì)相位失調(diào)。

解調(diào)頻率奇數(shù)倍的信號(hào)能量將出現(xiàn)在輸出濾波器的通帶內(nèi)。FIR抽取濾波器實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波，能為這些頻率提供至少50 dB衰減。

如有需要，IIR濾波器可提供額外的濾波或增益。由于IIR濾波器在相敏檢波器前面，其相位響應(yīng)將會(huì)影響PSD信號(hào)輸出帶寬。設(shè)計(jì)濾波器響應(yīng)時(shí)，必須考慮這一點(diǎn)。

輸出濾波器

應(yīng)選擇輸出濾波器的通帶，使其匹配待測(cè)參數(shù)的帶寬，但限制系統(tǒng)的寬帶噪聲。輸出低通濾波器必須還要能夠抑制PSD偶數(shù)倍產(chǎn)生的輸出雜散。

該電路使用Σ-Δ型ADC AD7192內(nèi)置的LPF.它可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)sinc3或sinc4響應(yīng)，并且傳遞函數(shù)在輸出數(shù)據(jù)速率的倍數(shù)處為零。

將ADC的輸出數(shù)據(jù)速率設(shè)為解調(diào)頻率可以抑制PSD輸出雜散。ADC的可編程輸出數(shù)據(jù)速率用作可選帶寬輸出濾波器?？捎玫妮敵鰯?shù)據(jù)速率(fDATA)為 4.8 kHz/n，其中1≤n≤1023.因此，ADC對(duì)每個(gè)輸出數(shù)據(jù)數(shù)值的n個(gè)解調(diào)時(shí)鐘周期內(nèi)求解調(diào)器輸出的平均值。由于主機(jī)時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘同步，ADC輸出濾波器傳遞函數(shù)的零點(diǎn)將直接落在調(diào)制頻率的每一個(gè)諧波上，并且抑制任意n值的所有輸出雜散。

圖6顯示了歸一化為ADC輸出數(shù)據(jù)速率的sinc3傳輸函數(shù)。

可編程輸出數(shù)據(jù)速率具有噪聲和帶寬/建立時(shí)間之間的直觀權(quán)衡取舍關(guān)系。輸出濾波器噪聲帶寬為0.3×fDATA、3 dB頻率為0.272×fDATA，建立時(shí)間為3/fDATA.

在最高4.8 kHz輸出數(shù)據(jù)速率下，ADC數(shù)字濾波器具有1.3 kHz左右的3 dB帶寬。在不超過(guò)此頻率的范圍內(nèi)，解調(diào)器和ADC之間的RC濾波器相對(duì)平坦，最大程度降低了ADC的帶寬要求。在最大數(shù)據(jù)速率較低的系統(tǒng)中，RC濾波器轉(zhuǎn)折頻率可以按比例降低。

噪聲性能

該電路的輸出噪聲是ADC輸出數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。表1顯示數(shù)字化數(shù)據(jù)相對(duì)于ADC采樣速率的有效位數(shù)，假設(shè)滿量程輸出電壓為2.5 V.噪聲性能與LVDT內(nèi)核位置無(wú)關(guān)。

表1.噪聲性能與帶寬的關(guān)系

如果ADA2200輸出噪聲與頻率無(wú)關(guān)，則預(yù)計(jì)有效位數(shù)將在輸出數(shù)據(jù)速率每4×下降時(shí)增加一位。ENOB在較低輸出數(shù)據(jù)速率下不會(huì)上升太多，這是由于ADA2200輸出驅(qū)動(dòng)器的1/f噪聲所導(dǎo)致的;該噪聲在較低的輸出數(shù)據(jù)速率下成為噪底的主要成分。

線性度

首先在±2.0 mm內(nèi)核位移處執(zhí)行一次兩點(diǎn)校準(zhǔn)即可測(cè)量線性度結(jié)果。由這些測(cè)量結(jié)果可確定斜率和失調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)最佳直線擬合。然后，在±2.5 mm滿量程范圍內(nèi)測(cè)量?jī)?nèi)核位移。從直線數(shù)據(jù)中減去測(cè)量數(shù)據(jù)即可確定線性度誤差。

圖7.位置線性度誤差與LVDT內(nèi)核位移的關(guān)系

用于電路評(píng)估的E系列LVDT線性度額定值為±0.5%(±2.5 mm位移范圍)電路性能超過(guò)了LVDT的規(guī)格。

功耗

電路總功耗為10.2 mW，包括驅(qū)動(dòng)LVDT的6.6 mW以及電路其余部分的3.6 mW.電路SNR可以通過(guò)增加LVDT激勵(lì)信號(hào)而得到改善，但代價(jià)是功耗更高?；蛘?，可以通過(guò)降低LVDT激勵(lì)信號(hào)從而降低功耗，同時(shí)使用低功耗雙通道運(yùn)算放大器來(lái)放大LVDT輸出信號(hào)，以便保留電路的SNR性能。

結(jié)論

同步解調(diào)可以解決很多傳感器信號(hào)調(diào)理所共有的特性挑戰(zhàn)。低于1 MHz激勵(lì)頻率且動(dòng)態(tài)范圍要求為80 dB至100 dB的系統(tǒng)可以采用低成本、低功耗模擬電路;該方法所需的數(shù)字后處理極少。了解相敏檢波器的工作原理以及傳感器輸出端的噪聲特性是確定系統(tǒng)濾波器要求的關(guān)鍵。