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(lái)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。
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(jiǎn)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(guò)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
|
數(shù)據(jù)采集儀器測(cè)量范圍(V)
|
峰峰值電壓(V)
|
每路輸入的最大電壓(V)
|
整體系統(tǒng)增益
|
AD825x增益
|
AD8475增益
|
ADC輸入端的峰峰值電壓
|
AD825x輸入電壓限值（保護(hù)ADC）
|
|
|
±10
|
20
|
4.096
|
0.4
|
1
|
0.4
|
8
|
10.24
|
AD8250增益
|
|
±5
|
10
|
4.096
|
0.8
|
2
|
0.4
|
8
|
5.12
|
|
|
±2
|
4
|
4.096
|
2
|
5
|
0.4
|
8
|
2.048
|
|
|
±1
|
2
|
4.096
|
4
|
10
|
0.4
|
8
|
1.024
|
|
|
±5
|
10
|
4.096
|
0.8
|
1
|
0.8
|
8
|
5.12
|
|
|
±2.5
|
5
|
4.096
|
1.6
|
2
|
0.8
|
8
|
2.56
|
|
|
±1
|
2
|
4.096
|
4
|
5
|
0.8
|
8
|
1.024
|
|
|
±0.5
|
1
|
4.096
|
8
|
10
|
0.8
|
8
|
0.512
|
|
|
±10
|
20
|
4.096
|
0.4
|
1
|
0.4
|
8
|
10.24
|
AD8251增益
|
|
±5
|
10
|
4.096
|
0.8
|
2
|
0.4
|
8
|
5.12
|
|
|
±2.5
|
5
|
4.096
|
1.6
|
4
|
0.4
|
8
|
2.56
|
|
|
±1
|
2
|
4.096
|
3.2
|
8
|
0.4
|
6.4
|
1.28
|
|
|
±5
|
10
|
4.096
|
0.8
|
1
|
0.8
|
8
|
5.12
|
|
|
±2.5
|
5
|
4.096
|
1.6
|
2
|
0.8
|
8
|
2.56
|
|
|
±1
|
2
|
4.096
|
3.2
|
4
|
0.8
|
6.4
|
1.28
|
|
|
±0.5
|
1
|
4.096
|
6.4
|
8
|
0.8
|
6.4
|
0.64
|
|
|
±10
|
20
|
4.096
|
0.4
|
1
|
0.4
|
8
|
10.24
|
AD8253增益
|
|
±1
|
2
|
4.096
|
4
|
10
|
0.4
|
8
|
1.024
|
|
|
±0.1
|
0.2
|
4.096
|
40
|
100
|
0.4
|
8
|
0.1024
|
|
|
±0.01
|
0.02
|
4.096
|
400
|
1000
|
0.4
|
8
|
0.01024
|
|
|
±5
|
10
|
4.096
|
0.8
|
1
|
0.8
|
8
|
5.12
|
|
|
±0.5
|
1
|
4.096
|
8
|
10
|
0.8
|
8
|
0.512
|
|
|
±0.05
|
0.1
|
4.096
|
80
|
100
|
0.8
|
8
|
0.0512
|
|
|
±0.005
|
0.01
|
4.096
|
800
|
1000
|
0.8
|
8
|
0.00512
|
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(guò)電源軌13 V的額外過(guò)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 ADC AD7986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(guò)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(kāi)關(guān)電容輸入端之間提供某種隔離。AAF通常利用簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),，如圖1中所示,。濾波器帶寬通過(guò)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(yǔ)
AD8475與AD825x系列PGIA相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)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(lái)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,。
|
作者簡(jiǎn)介
|
|
 |
Reem Malik [[email protected]]是馬薩諸塞州威明頓市集成放大器產(chǎn)品（IAP）部門的一名應(yīng)用工程師。她為儀器儀表,、工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域的顧客提供支持,，并負(fù)責(zé)熱電偶放大器和精密差動(dòng)/差分放大器產(chǎn)品。Reem擁有伍斯特理工學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)和電氣工程碩士學(xué)位(MSEE),。她于2008年6月加入ADI公司,。 |
 |
Sandro Herrera [[email protected]]是馬薩諸塞州威明頓市集成放大器產(chǎn)品（IAP）部門的一名電路設(shè)計(jì)工程師。他目前主要從事固定,、可變或可編程增益的全差分放大器設(shè)計(jì)工作,。Sandro擁有麻省理工學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)和電氣工程碩士學(xué)位(MSEE)。他于2005年8月加入ADI公司,。 |
本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,，轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn),。轉(zhuǎn)載的所有的文章,、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無(wú)法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容,、版權(quán)和其它問(wèn)題,，請(qǐng)及時(shí)通過(guò)電子郵件或電話通知我們，以便迅速采取適當(dāng)措施,，避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,。聯(lián)系電話：010-82306118；郵箱：[email protected],。