集成PGIA、用于工業(yè)級信號的低功耗、多通道數據采集系統(tǒng)

　　電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是高性價比、低功耗、多通道數據采集系統(tǒng)，兼容標準工業(yè)級信號。元件針對兩次采樣之間的最佳建立時間而選擇，能以高達約750 kHz的通道切換速率提供18位性能。

　　該電路可以處理八個增益獨立的通道，兼容單端和差分輸入信號。

　　模擬前端包括一個多路復用器、可編程增益儀表放大器(PGIA)、用于執(zhí)行單端轉差分任務的精密模數轉換器(ADC)驅動器，以及一個用于采樣有效通道信號的18位、1 MSPS PulSAR? ADC。提供0.4、0.8、1.6和3.2增益配置。

　　系統(tǒng)最大采樣速率為1 MSPS。通道切換邏輯與ADC轉換同步，最大通道切換速率為1 MHz。單通道采樣速率高達1 MSPS，分辨率為18位。通道切換速率高達750 kHz時依然具有18位性能。系統(tǒng)還具有低功耗特性，在1 MSPS最大ADC吞吐速率下的功耗僅為240 mW。

　　圖1.多通道數據采集簡化電路(未顯示所有連接和去耦)

　　電路描述

　　圖1中的電路是個多通道數據采集信號鏈，由多路復用器、可編程增益級、ADC驅動器和全差分PulSAR ADC組成。

　　通道切換和增益切換與ADC的轉換周期同步。系統(tǒng)可以使用單個ADC監(jiān)控多達八個通道，相比每通道一個ADC的系統(tǒng)而言，減少了元件數量并降低了成本。每通道都可配置為不同增益，為輸入范圍提供了靈活性。各通道的有效采樣速率等于ADC的采樣速率除以采樣總通道數。

　　系統(tǒng)的最大采樣速率受限于模擬前端元件的建立時間。多路復用信號本質上是斷續(xù)的，因此采樣間隔之間可能具有較大的電壓階躍。ADC執(zhí)行轉換前，信號鏈上的元件必須有足夠的時間建立至這些階躍。為使信號建立時間最大化，多路復用器通道會在ADC開始新的轉換之后立即切換。

　　元件選擇

　　ADG1207是一款低電容、快速建立多路復用器，可將8個差分輸入之一路由至公共差分輸出。ADG1207輸入端的切換網絡能為單端和差分輸入信號提供兼容性。有效通道通過器件地址引腳選擇，由SDP-B控制器板控制。

　　AD8251是一款可編程增益儀表放大器，提供1、2、4和8可選增益設置。較高的增益設置使較小的輸入信號升壓至AD7982的滿量程輸入范圍內。每一個增益設置都有自己的合適輸入范圍，如表1所示。

　　表1.四個增益

        配置的輸入范圍

　　AD8475漏斗放大器提供高精度衰減(0.4×)、精確的共模電平轉換以及單端至差分轉換。該器件具有低輸出噪聲頻譜密度(10 nV/√Hz)和快速建立時間(建立至0.001%：50 ns，2 V輸出階躍)，非常適合用來驅動AD7982。

　　AD7982是一款全差分、1 MSPS、18位PulSAR ADC，使用4.096 V基準電壓源時的典型SNR為96 dB。AD7982同樣具有低功耗特性，最大吞吐速率時的功耗僅為大約7 mW。該器件的功耗隨吞吐速率而變，可在較低采樣速率下工作以降低功耗(例如，10 kSPS時功耗等于70 μW)。

　　系統(tǒng)直流精度誤差

　　圖2顯示了數據采集系統(tǒng)的理想傳遞函數。

　　圖2.ADC理想傳遞函數

　　數據采集信號鏈上的每一個元件都存在誤差，導致系統(tǒng)的真實傳遞函數與圖2有所不同。這些誤差的累積效應可以通過對比ADG1207輸入端的直流輸入和AD7982的輸出碼而在系統(tǒng)級進行測量。該系統(tǒng)的目標誤差是失調誤差和增益誤差。

　　失調誤差測量

　　對于理想的雙極性、差分ADC而言，0 V差分輸入的輸出碼為0。真正的ADC通常會有一些失調誤差(εb)，其定義為理想輸出碼與0 V輸入的測量輸出碼之間的偏差。

　　數據采集系統(tǒng)的失調誤差可以通過將其輸入接地，然后觀察輸出碼而找出。此誤差在AD8251的各增益設置下均有所不同，并且ADG1207各通道之間也有所不同。因此，在全部四種增益配置下對各通道進行失調誤差測量。

　　由于系統(tǒng)監(jiān)控多個通道，對通道之間的失調誤差進行量化也很重要。失調誤差匹配(Δεb, MAX)用來衡量各通道的失調誤差以及所有通道的平均失調誤差之間的偏差。使用下式計算失調誤差匹配：

　　其中，εb,i和εb,j分別表示i和j通道的失調誤差。

　　每一種增益配置都存在失調誤差匹配。注意，失調誤差可以表示為碼，也可以表示為電壓(伏特)。

　　增益誤差測量

　　系統(tǒng)增益誤差也會使整個系統(tǒng)具有不精確性。AD7982的理想傳遞函數如圖2所示，其中?217和217 ? 1輸出碼分別對應負滿量程輸入電壓(?FS)和正滿量程輸入電壓(+FS);然而，失調誤差(εb)和增益誤差(εm)的組合卻會導致此關系產生偏差。

　　增益誤差可以表示為實際系統(tǒng)增益和理想系統(tǒng)增益之間的百分比誤差。更為常見的表示方法是采用百分比滿量程誤差(%FS)，它衡量產生217 ? 1碼的理想和實際輸入電壓之間的誤差。

　　理想滿量程輸入電壓(VFS, IDEAL)與ADC分辨率(AD7982為18位)以及基準電壓(VREF)的精度成函數關系。基準電壓誤差會導致ADC的增益誤差。為了去耦基準電壓誤差與ADC增益誤差，使用精密萬用表測量VREF。然后便可利用下式計算理想滿量程輸入電壓：

　　系統(tǒng)增益誤差隨AD8251增益而變，但各通道獨立。因此，增益誤差針對四個增益配置分別進行測量，但在系統(tǒng)中僅使用ADG1207的其中一個通道。

　　系統(tǒng)噪聲分析

　　精密數據采集系統(tǒng)的關鍵設計目標之一是實現高信噪比(SNR)，這可以通過增加滿量程信號幅度和/或降低系統(tǒng)中元件產生的噪聲功率實現。

　　系統(tǒng)中的總噪聲功率可以通過元件各自的噪聲功率折合到AD7982輸入端的和方根(rss)計算得出：

　　系統(tǒng)中各元件的預計噪聲貢獻以及整個系統(tǒng)的預計SNR性能如表2所示。在總系統(tǒng)噪聲計算時，忽略系統(tǒng)中無源元件的熱噪聲貢獻。