驅動(dòng)高精度模數轉換器的方法

當今的數據采集系統不僅是工業(yè)應用的核心組件，通常還用于實(shí)現基于傳感器的溫度、流量、液位、壓力和其他物理量測量，隨后將測量數據轉換為高分辨率數字信息，再傳輸至軟件進(jìn)一步處理，這些系統對精度的要求越來(lái)越高。

為此，開(kāi)發(fā)人員必須綜合考量會(huì )對系統產(chǎn)生不利影響的特性（例如信號噪聲和漂移），以及提高轉換速率和傳輸速率等要求。將不同的傳感器類(lèi)型和相應的不同模擬信號輸出直接連接通常需要高輸入阻抗。此外，輸入還應該能夠緩沖、放大和調整輸入信號的電平，或者能夠生成差分信號，覆蓋模數轉換器(ADC)的整個(gè)電壓范圍，同時(shí)滿(mǎn)足其共模電壓要求。

但是，原始測量信號應盡可能保持不失真。所以，輸入級是確定數據采集系統整體精度的決定性因素之一。通常使用可編程增益儀表放大器(PGIA)可實(shí)現這一目標，即通過(guò)外部電阻調節增益，然后將輸出直接耦合至下游ADC的輸入。PGIA通常配備單端輸出，因此不能直接用于驅動(dòng)全差分逐次逼近寄存器(SAR) ADC。因此，需要采用額外的信號調理或驅動(dòng)級。但是，額外的驅動(dòng)級會(huì )影響整個(gè)數據采集系統的性能，因為該驅動(dòng)級可能帶來(lái)一些會(huì )引發(fā)額外誤差的組件。通過(guò)選擇合適的組件，可以確保實(shí)現出色性能，具體電路如圖1所示。

圖1. 精密數據采集系統的簡(jiǎn)化框圖。

圖1所示為數據采集系統的簡(jiǎn)化電路，包含基準電壓源和帶集成電源的基準電壓緩沖器，以及PGIA和AD4020SAR ADC。PGIA的差分輸出采用可實(shí)現數字可編程增益的分立式標準組件。其輸入阻抗在GΩ范圍內，共模抑制比超過(guò)92 dB，具有低輸出噪聲和低失真特性，因此非常適合用于直接控制SAR ADC，且不會(huì )影響性能。PGIA驅動(dòng)AD4020，這是一款高精度20位1.8 MSPS的低功率SARADC。AD4020提供一系列其他功能，可用于降低整個(gè)信號鏈的復雜度，增加通道密度，同時(shí)不影響性能。其他功能包括用于減少非線(xiàn)性輸入電流的高阻抗模式，以及用于將PGIA直接連接至其間的簡(jiǎn)單RC濾波器的長(cháng)檢測相位。AD4020提供高采樣率，可精確采集高達數百千赫茲的高頻信號。它還支持抽取功能，可擴大動(dòng)態(tài)范圍，從而實(shí)現對低壓信號的精密檢測。此外，還可減少對抗混疊濾波器的需求。

SPI接口兼容不同的邏輯電平（1.8 V、2.5 V、3 V和5 V），可以通過(guò)多種方式進(jìn)行編程，同時(shí)提供讀寫(xiě)功能。

圖1中的電路采用所示組件，可獲得出色的線(xiàn)性度（INL，典型值為±2 ppm）、低偏置和增益漂移（分別為±3.5 ppm/°C和±6 ppm/°C），以及出色的噪聲功率（超過(guò)–115 dB），所有這些特性均支持最高轉換率和整個(gè)增益范圍。此電路支持雙極和單極單端或全差分輸入信號（高達±10 V），增益為1至10。輸入電壓范圍與增益呈函數關(guān)系，參見(jiàn)表1。

表1. 輸入電壓范圍與增益的函數關(guān)系

圖示電路也提供校準選項，以適用于更大的PGIA范圍。此功能提供精準的比率性能，通過(guò)提供信號緩沖、放大和衰減、共模電平漂移選項，以及各種應對模擬信號處理挑戰的其他功能來(lái)簡(jiǎn)化系統設計。通過(guò)高阻抗輸入和可編程增益設計，可以連接提供單極、雙極、差分和單端輸出的各種傳感器。此外，也可以滿(mǎn)足漂移、偏置、線(xiàn)性度、SNR和共模抑制等要求。通過(guò)這種方式，可以輕松實(shí)現適用于極高精度要求應用的高精度數據采集系統。