驅(qū)動(dòng)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法

當(dāng)今的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅是工業(yè)應(yīng)用的核心組件，通常還用于實(shí)現(xiàn)基于傳感器的溫度、流量、液位、壓力和其他物理量測(cè)量，隨后將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高分辨率數(shù)字信息，再傳輸至軟件進(jìn)一步處理，這些系統(tǒng)對(duì)精度的要求越來越高。

為此，開發(fā)人員必須綜合考量會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的特性（例如信號(hào)噪聲和漂移），以及提高轉(zhuǎn)換速率和傳輸速率等要求。將不同的傳感器類型和相應(yīng)的不同模擬信號(hào)輸出直接連接通常需要高輸入阻抗。此外，輸入還應(yīng)該能夠緩沖、放大和調(diào)整輸入信號(hào)的電平，或者能夠生成差分信號(hào)，覆蓋模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的整個(gè)電壓范圍，同時(shí)滿足其共模電壓要求。

但是，原始測(cè)量信號(hào)應(yīng)盡可能保持不失真。所以，輸入級(jí)是確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(xiàn)這一目標(biāo)，即通過外部電阻調(diào)節(jié)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(qū)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(hào)調(diào)理或驅(qū)動(dòng)級(jí)。但是，額外的驅(qū)動(dòng)級(jí)會(huì)影響整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)級(jí)可能帶來一些會(huì)引發(fā)額外誤差的組件。通過選擇合適的組件，可以確保實(shí)現(xiàn)出色性能，具體電路如圖1所示。

圖1. 精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。

圖1所示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路，包含基準(zhǔn)電壓源和帶集成電源的基準(zhǔn)電壓緩沖器，以及PGIA和AD4020SAR ADC。PGIA的差分輸出采用可實(shí)現(xiàn)數(shù)字可編程增益的分立式標(biāo)準(zhǔn)組件。其輸入阻抗在GΩ范圍內(nèi)，共模抑制比超過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(qū)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(hào)鏈的復(fù)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(zhǎng)檢測(cè)相位。AD4020提供高采樣率，可精確采集高達(dá)數(shù)百千赫茲的高頻信號(hào)。它還支持抽取功能，可擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓信號(hào)的精密檢測(cè)。此外，還可減少對(duì)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），可以通過多種方式進(jìn)行編程，同時(shí)提供讀寫功能。

圖1中的電路采用所示組件，可獲得出色的線性度（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–115 dB），所有這些特性均支持最高轉(zhuǎn)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(hào)（高達(dá)±10 V），增益為1至10。輸入電壓范圍與增益呈函數(shù)關(guān)系，參見表1。

表1. 輸入電壓范圍與增益的函數(shù)關(guān)系

圖示電路也提供校準(zhǔn)選項(xiàng)，以適用于更大的PGIA范圍。此功能提供精準(zhǔn)的比率性能，通過提供信號(hào)緩沖、放大和衰減、共模電平漂移選項(xiàng)，以及各種應(yīng)對(duì)模擬信號(hào)處理挑戰(zhàn)的其他功能來簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過高阻抗輸入和可編程增益設(shè)計(jì)，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，也可以滿足漂移、偏置、線性度、SNR和共模抑制等要求。通過這種方式，可以輕松實(shí)現(xiàn)適用于極高精度要求應(yīng)用的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。