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16位ADC提供19位分辨率的電路設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2010-08-16 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

許多系統(tǒng)都要求高精度和快速采集數(shù)據(jù),以便允許該系統(tǒng)能夠檢測(cè)小信號(hào)并且能將更多的傳感器通道*在同一系統(tǒng)。傳感器通道越多,系統(tǒng)的外形就能夠越小,成本和功耗也越低。遠(yuǎn)程光通信和醫(yī)用設(shè)備(例如,CT掃描儀)即得益于快速和高精度的系統(tǒng)。在光功率系統(tǒng)(例如,激光泵)中,需要不斷監(jiān)視其功率水平。在這種系統(tǒng)中,對(duì)于需要≥90dB動(dòng)態(tài)范圍的輸入激光功率,其激光控制環(huán)路響應(yīng)時(shí)間要求具有1MSPS的采樣率。在CT掃描儀中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具有16 b到22 b的,以便處理通過(guò)各種人體組織的寬動(dòng)態(tài)范圍的X射線信號(hào)。該系統(tǒng)需要大量的光檢測(cè)器(較多的數(shù)據(jù)采集通道)和高精度數(shù)據(jù)采集以提高圖像

以上兩個(gè)例子說(shuō)明了系統(tǒng)要求的是相對(duì)精度,而非絕對(duì)精度。盡管能夠檢測(cè)出10nW的功率變化相對(duì)于1μW的輸入光功率很重要,但同樣的10nW變化作為1.00001mW與1mW之差的絕對(duì)值則顯得無(wú)足輕重。然而表征模數(shù)轉(zhuǎn)換器()精度的技術(shù)指標(biāo)--積分線性誤差(INL)是一種絕對(duì)誤差。為了獲得最佳相對(duì)精度,本文提出一種創(chuàng)新的解決方案是在精密前端使用可編程增益放大器(PGA)。AD7677 的滿量程線性誤差為±15 ppm(在16 bit條件下為±1 LSB)。在此ADC前端的PGA達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的建立時(shí)間必須足夠快,以便與具有相同分辨率ADC的轉(zhuǎn)換速度相匹配。另外,該P(yáng)GA還必須具有盡可能低的噪聲,因?yàn)樗鼪Q定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信噪比(SNR)。為了解決這些問(wèn)題,本設(shè)計(jì)中的放大器采用AD8021運(yùn)算放大器,它具有滿足設(shè)計(jì)要求的速度、精度和快速建立時(shí)間,并且其電壓噪聲譜密度僅為2 nV/√Hz。圖1示出該P(yáng)GA增益設(shè)置與其ADC精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)輸入信號(hào)幅度很低時(shí)能使該系統(tǒng)達(dá)到19 b精度。

16位ADC提供19位分辨率的電路設(shè)計(jì)
圖1 在16位 ADC前端使用一個(gè)PGA能將其精度提高到19 位

ADC的相對(duì)精度通常是指在滿度范圍被校準(zhǔn)的情況下,任意數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬量實(shí)際值與理論值之間的偏差最大值,用相對(duì)滿度范圍百萬(wàn)分比(ppm)表示(也可用百分比,或LSB表示),再加減(±)其系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程引起的最小絕對(duì)誤差所對(duì)應(yīng)的ppm。圖2所示的電路設(shè)計(jì)能達(dá)到107ppm±1.9ppm的相對(duì)精度。模擬多路復(fù)用器IC4含有多個(gè)帶寬較小的通道以便利用ADC的1MSPS采樣率。因?yàn)镻GA對(duì)多路復(fù)用器表現(xiàn)為高輸入阻抗,所以可級(jí)聯(lián)多個(gè)多路復(fù)用器,從而增加通道數(shù)。多路復(fù)用器還具有一個(gè)校準(zhǔn)輸入端口,從而利用一個(gè)校準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓就可以簡(jiǎn)便地校準(zhǔn)每次增益設(shè)置引起的失調(diào)電壓和增益誤差。校準(zhǔn)僅需要在加電或工作條件(例如,溫度)發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行。放大鏈路由多路復(fù)用器、比較器、前置放大器和ADC組成。AD7677具有逐次逼近型結(jié)構(gòu),它允許放大鏈路中的單獨(dú)部分同時(shí)工作。當(dāng)ADC對(duì)一個(gè)通道進(jìn)行采樣時(shí),其比較器和放大器可以使隨后的通道達(dá)到穩(wěn)定。因此,該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能以ADC的最大采樣速率工作。

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圖2 通過(guò)PGA與16 位ADC結(jié)合使系統(tǒng)提供19 位精度

在模擬多路復(fù)用器達(dá)到穩(wěn)定之后,快速比較器IC1立刻完成適當(dāng)?shù)脑鲆嬖O(shè)置。比較器的閾值電壓使信號(hào)被IC6 和IC7放大后不會(huì)飽和或嵌位。AD8561 比較器的響應(yīng)時(shí)間為7 ns,它提供一個(gè)鎖定信號(hào),能夠在放大器達(dá)到穩(wěn)定期間和ADC捕獲信號(hào)期間保持增益不變。通常的PGA配置要求用戶在輸入端施加信號(hào)之前預(yù)先設(shè)置放大器的增益。圖2中的PGA具有"自動(dòng)設(shè)置增益范圍"的特點(diǎn),它能夠選擇最適當(dāng)?shù)腜GA增益以獲得最高精度而不引起信號(hào)飽和或嵌位。比較器包含滯后電路,以便在信號(hào)接近某一個(gè)具體增益范圍限制時(shí)減少設(shè)置的增益變化。該電路能自動(dòng)將ADC的精度提高到19位,同時(shí)又能保持其1MSPS的全速采樣速率。

IC6 使用1或8的增益設(shè)置對(duì)多路復(fù)用器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大,如果需要提供最大可達(dá)到25的不同增益,可以改變反饋網(wǎng)絡(luò)電阻。模擬開(kāi)關(guān)IC3控制增益的設(shè)置。運(yùn)算放大器AD8021的高增益帶寬乘積能提供足夠的帶寬,因而其補(bǔ)償電容對(duì)所有的增益保持相同。放大器IC7 為ADC產(chǎn)生差分輸入信號(hào)。比較器和放大器的建立時(shí)間以及ADC的捕獲時(shí)間都遠(yuǎn)小于ADC 的1μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間。ADC兩個(gè)輸入端的RC噪聲濾波器R1/C1和R2/C2,它們占用額外時(shí)間。這些濾波器限制PGA的噪聲帶寬。當(dāng)IC7 的增益為-1時(shí),PGA是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要的噪聲源。

圖3示出該電路設(shè)計(jì)的線性誤差。在這種最高增益設(shè)置條件下達(dá)到如此低的線性誤差(圖中示出最大值為0.44 LSB,最小值為-0.37 LSB)并非易事。這相當(dāng)于±0.9 ppm的典型誤差。當(dāng)增益為8時(shí),輸出噪聲為85 μV rms。如果需要,可以利用軟件平均進(jìn)一步減少噪聲。圖4示出使用AD7677*估板構(gòu)成的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),印制電路板面積為15×30 mm。

16位ADC提供19位分辨率的電路設(shè)計(jì)
圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)于所有可能ADC數(shù)字量的線性誤差

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圖4 以1美分硬幣為參照的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相對(duì)尺寸



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