在不損失SNR的前提下,將高壓信號轉換成低壓ADC輸入
模/數(shù)轉換器(ADC)電路設計中,特別是當系統(tǒng)設計人員需要處理各種擺幅的電壓信號時,很容易產生的一個誤區(qū)是縮小輸入信號范圍,以適應ADC的滿量程范圍,這將大大降低信噪比(SNR)。綜合來看,相對于高壓ADC,低壓(5V或者更低) ADC的選擇范圍更寬。高電源電壓通常會導致大的功耗,電路板設計也更加復雜,例如,需要使用更多的去耦電容。這篇應用筆記討論了由于信號縮小所引起的SNR損失,如何量化這些損失,以及如何減小這些損失。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201609/310470.htm很多傳感器或系統(tǒng)輸出為高壓或雙極性消耗,比如,常見的±10V。當然,可以通過一些簡單的方法將這些信號送入ADC,進而利用高壓ADC處理這些寬范圍輸入信號,不會造成SNR損失。這些方案通常需要額外的高壓電源,以滿足輸入量程及較大功率的需求(圖1所示)。這些高壓ADC同時也限制了信號調理(運放)方案的使用。如果信號需要復用高壓和低壓輸入,實際電路的成本將更高(圖2)。
圖1:MX574A高壓ADC能夠支持較大的輸入信號量程,但也消耗較高功率。為了實現(xiàn)這個方案,必須采用±15V雙電源和+5V單電源供電。
圖2:多路復用、雙極性高壓輸入ADC系統(tǒng)。
也可以使用一個輸入運放,將信號縮小到低壓ADC的滿量程范圍。該信號調理電路可以連接到一個單獨的模擬開關輸入口(如圖3),將所有信號都限制在ADC輸入范圍以內。
圖3:采用單片MAX11100低壓ADC和復用器處理高壓輸入。
采用運放縮小信號電壓范圍時,可以將運放噪聲等效為運放的輸入噪聲。這里主要有兩個噪聲源:運放參考輸入噪聲和壓縮信號產生的ADC輸入?yún)⒖荚肼?。這兩個噪聲源組合成一個二次方程。此外,放大器噪聲經(jīng)過ADC輸入帶寬以及運放和ADC輸入之間的抗混疊濾波器濾波,如圖4所示。
圖4:比例運放引入噪聲,但該噪聲經(jīng)過RC濾波和ADC輸入網(wǎng)絡濾波。
系統(tǒng)SNR(運放輸入前端)公式為:
其中:
vnADC= ADC的輸入RMS噪聲
vnOPA= 運放的輸入噪聲
f-3dB= 單極點-3dB頻率
對于給定的ADC滿量程范圍、ADC輸入?yún)⒖荚肼?、運放增益,有兩個參數(shù)會影響到最終的信噪比損失:濾波器截止頻率和放大器輸入?yún)⒖荚肼暋?/p>
如果信號源具有低頻成分,可通過設計濾波器使其具有更高的輸入噪聲容限(在保證低功耗、低成本需求的同時,會犧牲一定的噪聲性能)。如果ADC限制了系統(tǒng)帶寬,則需要運放具有足夠低的輸入噪聲,以達到SNR的要求。
舉一個例子,輸入信號為±10V,而ADC滿量程輸入為5VP-P,ADC SNR為92dB。此時,放大器衰減系數(shù)是4倍(將輸入調整到滿量程)。數(shù)據(jù)手冊提供的ADC輸入噪聲是44.4nVRMS。假設濾波器截止頻率為10kHz,如果采用輸入噪聲為10nV/√Hz的運放,則損失信噪比為:
SNR(loss) = 0.035dB
如果沒有使用濾波器,ADC帶寬為10MHz,為了將SNR控制在同等水平,則要求輸入噪聲為0.3nV/√Hz,設計中很難達到這樣的要求。
對于同樣10MHz帶寬的ADC,如果我們允許SNR(loss) = 0.5dB,則要求運放噪聲指標為4nV/√Hz,這一點很容易做到。
目前,具有更高集成度、設計更靈活的解決方案允許不同信號范圍的輸入,輪訓采集每個通道時,編程相應通道的輸入增益優(yōu)化SNR。比如,Maxim的MAX1300系列16/14位ADC提供最多8路輸入信號,如圖5所示。MAX1300可接受雙極性輸入信號,最高±12V,只需單5V供電,由此減少了外圍器件和供電電源數(shù),進而縮小PCB面積。
圖5:MAX1300 ADC具有可編程輸入量程(單電源供電支持雙極性輸入),每個采樣可編程放大倍數(shù),內部基準。
12位MAX11131、16通道、3Msps ADC同樣提供了設計靈活性。該器件采用SampleSet?技術,用戶可以靈活配置模擬輸入通道的采樣順序,允許多達256種任意掃描順序(圖6)。SampleSet技術還允許以非對稱形式設置每個通道的掃描頻率,靈活處理各個通道的高/低頻信號。
圖6:MAX11131功能框圖,3Msps、12位、16通道ADC提供靈活的SampleSet多路輪詢功能。
綜上所述,實際應用中,對于給定的系統(tǒng)帶寬和SNR損失容限,可以通過加入一個比例放大器將高壓信號轉換到ADC滿量程范圍規(guī)定的低壓信號。對于多量程輸入的系統(tǒng),采用這種方式可以有效地把不同擺幅信號輸入到一個多通道的低壓ADC。Maxim提供全面的16位到24位數(shù)據(jù)轉換器方案,并在器件內部集成了抗混疊濾波器,非常適合這類應用。
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