應用于工業(yè)測量系統(tǒng)的高性能模擬前端分析

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行接口，來精確、可靠地測量信號。根據(jù)傳感器具體類型和待測電壓/電流幅度的不同，信號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，以供進一步的數(shù)字處理和反饋控制。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型電壓測量范圍是從±0.1 V到±10 V。通過選擇正確的電壓范圍，用戶間接的更改系統(tǒng)增益，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入端的采樣電壓幅度最大，進而最大程度地提高信噪比(SNR)和測量精度。在典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要衰減的信號與需要放大的信號分別通過不同的信號路徑進行處理，這通常導致系統(tǒng)設計更為復雜，需要額外的器件，并且占用更多的電路板空間。在同一信號路徑中實現(xiàn)衰減和放大的解決方案一般使用可編程增益放大器和可變增益放大器，但這些放大器往往不能提供許多工業(yè)和儀器儀表應用所需的高直流精度和溫度穩(wěn)定性。

有一種方法可以構建一個強大的模擬前端，以便在單一信號路徑中實現(xiàn)衰減和放大，并且提供差分輸出來驅(qū)動高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖1所示，將一個可編程增益儀表放大器(PGIA)，如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，與一個全差分漏斗（衰減）放大器，如AD8475等級聯(lián)。該解決方案簡單靈活，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。當增益為10時，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合，使得這些放大器非常適合具有多路復用輸入的數(shù)據(jù)采集應用。

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)換及輸入過壓保護等功能。這個易于使用、完全集成的精密增益模塊采用+5 V單電源供電時，可以處理最高±10 V的信號電平。因此，它能使工業(yè)電平信號與低壓、高性能、采樣速率高達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，構成一個靈活的高性能模擬前端。表1列出了可以實現(xiàn)的增益組合，具體取決于輸入和輸出電壓范圍要求。

表1. AD8475與AD8250、AD8251或AD8253組合可以實現(xiàn)的輸入電壓范圍和增益

能力：輸入電壓范圍和帶寬

采用±15 V電源供電時，AD825x系列PGIA的最大輸入電壓范圍約為±13.5 V（AD8250和AD8251提供最高超過電源軌13 V的額外過壓保護）。在本應用中，對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的信號路徑增益設置。例如，18位2 MSPS PulSAR ADCAD7986采用2.5 V單電源供電，典型基準電壓為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最大幅度為±10.24 V。

為了確定系統(tǒng)所需的增益設置組合，應考慮ADC (VFS)的滿量程輸入電壓以及傳感器預計會提供的最小/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建立時間：對于10 V輸出電壓躍遷，AD8250的0.001%（16位）建立時間為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輸入端的信號帶寬，防止混疊，并提高信號鏈的信噪比（詳情參閱放大器和ADC的數(shù)據(jù)手冊）。

ADC采樣速率：AD8475可以驅(qū)動最高4 MSPS的18位分辨率轉(zhuǎn)換器。

許多數(shù)據(jù)采集和過程控制系統(tǒng)需要測量壓力、溫度和其它低頻輸入信號，因此前端放大器的直流精度和溫度穩(wěn)定性對于系統(tǒng)性能至關重要。許多應用使用多個傳感器，這些傳感器以輪詢方式多路復用連接到放大器輸入端。通常而言，輪詢頻率遠大于目標信號的帶寬。當多路復用器從一個傳感器切換到另一個傳感器時，放大器輸入端經(jīng)歷的電壓變化是未知的，因此設計必須考慮最差情況——滿量程電壓躍遷。放大器必須能夠在所分配的切換時間內(nèi)從該滿量程躍遷完成建立，該建立時間還必須短于ADC采集信號所需的建立時間。

在AD8475與ADC輸入端之間，建議使用一個抗混疊濾波器(AAF)，以便對提供給ADC輸入端的信號和噪聲帶寬進行限制，防止不需要的混疊效應，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的開關電容輸入端之間提供某種隔離。AAF通常利用簡單的RC網(wǎng)絡實現(xiàn)，如圖1中所示。濾波器帶寬通過下式計算：

許多情況下，該濾波器的R和C值根據(jù)經(jīng)驗進行優(yōu)化，以便為ADC提供必需的帶寬、建立時間和驅(qū)動能力。如需具體建議，請參閱ADC數(shù)據(jù)手冊。

結束語

AD8475與AD825x系列PGIA相結合，可實現(xiàn)一種簡單靈活、高性能、多功能的模擬前端。針對信號放大和衰減處理，該模擬前端可以提供多種可編程的增益組合，從而優(yōu)化不同的測量電壓范圍。AD825x的性能和可編程能力非常適合多路復用型測量系統(tǒng)，AD8475則能提供出色的接口來連接精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器。兩種放大器協(xié)調(diào)工作以保持傳感器信號的完整性，為工業(yè)測量系統(tǒng)提供一個高性能模擬前端。