成功進(jìn)行模數信號轉換的七個(gè)步驟

振動(dòng)、溫度、壓力和光等現實(shí)世界的信號需要精確的信號調理和信號轉換，然后才能在數字域中進(jìn)行進(jìn)一步數據處理。為了克服當前高精度應用的多種挑戰，需要一個(gè)精心設計的低噪聲模擬前端來(lái)實(shí)現最佳信噪比(SNR)。許多系統既負擔不起最昂貴的器件，也無(wú)法承受低噪聲器件的更高功耗。本文提出了一種系統的方法來(lái)設計一個(gè)增益模塊和ADC組合，并給出一個(gè)支持此方法的實(shí)例。在調理低頻（接近dc）信號時(shí)，該電路進(jìn)行噪聲計算和分析。


圖1 典型信號調理鏈

設計模擬前端時(shí)，請遵循以下七個(gè)步驟：

1) 描述傳感器或增益模塊前部的電氣輸出

2) 計算ADC的需求

3) 為信號轉換找到最佳ADC + 基準電壓

4) 為運算放大器找到最大增益并定義搜索條件

5) 找到最佳放大器并設計增益模塊

6) 根據設計目標檢查解決方案總噪聲

7) 運行模擬并驗證

第1步：描述傳感器或增益模塊前部的電氣輸出

信號可能直接來(lái)源于傳感器，也可能在到達增益模塊之前經(jīng)過(guò)EMI和RFI濾波器。為了設計增益模塊，必須知道信號的ac和dc特性以及可用的電源。知道了信號的特性和噪聲電平后，我們就能知道選擇ADC時(shí)需要何種輸入電壓范圍和噪聲電平。假設有一個(gè)傳感器，以250 mV p-p（88.2 mV rms）和25 μV p-p噪聲的滿(mǎn)量程幅度輸出一個(gè)10kHz信號。我們進(jìn)一步假設系統中有一個(gè)可用的5V電源。有了這些信息，我們應該能計算出第2步中的ADC輸入端的信噪比。為簡(jiǎn)化數據處理和避免混淆，假設我們將該解決方案設計為在室溫下工作。

第2步：計算ADC的需求

我們需要何種ADC、采樣速率如何、多少位、噪聲指標如何？若從第一步知道了輸入信號幅度以及噪聲信息，我們就能計算出增益模塊輸入端的信噪比（SNR）。我們需要選擇一個(gè)有更佳信噪比的ADC。在選擇ADC時(shí)，知道SNR將有助于我們計算有效位數（ENOB）。此關(guān)系表達式如下。

理想的ADC數據手冊總會(huì )標出SNR和ENOB。此例中所需要的86.8 dB SNR和14.2位ENOB決定了我們應選擇一個(gè)16位的模數轉換器。此外，奈奎斯特準則要求采樣率（fs）應至少兩倍于最大輸入頻率（fin），因此一個(gè)20-kSPS ADC應該就已足夠。下一步我們需要設計總體解決方案，使得噪聲密度不超過(guò)416 nV/rt-Hz。

第3步：為信號轉換找到最佳ADC+基準電壓

有了一系列的搜索條件，我們就有許多種方法找到合適的ADC。要找到一個(gè)16位ADC，最簡(jiǎn)單的方法之一就是使用廠(chǎng)商網(wǎng)站上的搜索工具。輸入分辨率與采樣速率，就可找到許多推薦的ADC。

許多16位的ADC滿(mǎn)足14.5位ENOB需求。如果您想得到更佳的噪聲性能，可使用過(guò)采樣迫使ENOB達到16位（由4^n過(guò)采樣得到n位增強）。通過(guò)過(guò)采樣，您可以使用較低分辨率的ADC：256過(guò)采樣的12位ADC（4^4過(guò)采樣）可得到16位噪聲性能。在我們的例子中，這意味著(zhù)5.126 MHz采樣率的12位ADC（20 kSPS × 256），或是4^2過(guò)采樣的14位ADC；若1.28 MSPS則更佳。然而這些選擇的成本卻和AD7685（16位、250 kSPS ADC）相當。



圖2 典型的ADC選型表

從列表中我們選擇了AD7685（16位PulSAR ADC）。該轉換器具有90-dB SNR和250 ksps采樣率，符合我們的需要。此ADC推薦搭配使用ADR421/ADR431精密XFET基準電壓源。2.5-V的輸入范圍超過(guò)了我們需要的250-mV p-p輸入特性

AD7685參考輸入具有動(dòng)態(tài)輸入阻抗，因此需進(jìn)行去耦以使寄生電感最?。ǚ椒ㄊ窃谝_附近放置一個(gè)陶瓷去耦電容，并用較寬的低阻抗走線(xiàn)進(jìn)行連接）。一個(gè)22 μF陶瓷芯片電容可提供最佳性能。

第4步：為運算放大器找到最大增益并定義搜索條件

有了ADC的輸入電壓范圍將有助于我們設計增益模塊。為了最大化動(dòng)態(tài)范圍，我們需要在給定的輸入信號和ADC輸入范圍內選取盡可能高的增益。這意味著(zhù)我們可以將該例子中的增益模塊設計成具有10倍的增益。

雖然AD7685很容易驅動(dòng)，但驅動(dòng)放大器需要滿(mǎn)足某些要求。例如，為保持AD7685的SNR和轉換噪聲性能，驅動(dòng)放大器產(chǎn)生的噪聲必須盡可能低，但要注意增益模塊可同時(shí)放大信號和噪聲。若要使得噪聲在增益模塊前后都保持不變，我們需要選擇具有更低噪聲值的放大器和相關(guān)元件。此外，驅動(dòng)器的THD性能應與AD7685相當，并且必須使ADC電容陣列以16位水平（0.0015%）建立滿(mǎn)量程階躍。來(lái)自放大器的噪聲可使用外部濾波器進(jìn)一步過(guò)濾。

運算放大器的輸入端允許多大的噪聲？牢記我們設計的總體解決方案的噪聲密度不超過(guò)416 nV/rt-Hz。我們設計的增益模塊應具有更低的本底噪聲，系數為10，因為我們的增益為10。這將確保來(lái)自放大器的噪聲遠低于傳感器的本底噪聲。計算噪聲裕量時(shí)，我們可假設運算放大器輸入端的噪聲大致等于運算放大器的總噪聲加上ADC的噪聲。