驅動高精度模數轉換器的方法

當今的數據采集系統不僅是工業應用的核心組件，通常還用于實現基于傳感器的溫度、流量、液位、壓力和其他物理量測量，隨后將測量數據轉換為高分辨率數字信息，再傳輸至軟件進一步處理，這些系統對精度的要求越來越高。

為此，開發人員必須綜合考量會對系統產生不利影響的特性（例如信號噪聲和漂移），以及提高轉換速率和傳輸速率等要求。將不同的傳感器類型和相應的不同模擬信號輸出直接連接通常需要高輸入阻抗。此外，輸入還應該能夠緩沖、放大和調整輸入信號的電平，或者能夠生成差分信號，覆蓋模數轉換器(ADC)的整個電壓范圍，同時滿足其共模電壓要求。

但是，原始測量信號應盡可能保持不失真。所以，輸入級是確定數據采集系統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)可實現這一目標，即通過外部電阻調節增益，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動全差分逐次逼近寄存器(SAR) ADC。因此，需要采用額外的信號調理或驅動級。但是，額外的驅動級會影響整個數據采集系統的性能，因為該驅動級可能帶來一些會引發額外誤差的組件。通過選擇合適的組件，可以確保實現出色性能，具體電路如圖1所示。

圖1. 精密數據采集系統的簡化框圖。

圖1所示為數據采集系統的簡化電路，包含基準電壓源和帶集成電源的基準電壓緩沖器，以及PGIA和AD4020SAR ADC。PGIA的差分輸出采用可實現數字可編程增益的分立式標準組件。其輸入阻抗在GΩ范圍內，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，且不會影響性能。PGIA驅動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，可用于降低整個信號鏈的復雜度，增加通道密度，同時不影響性能。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單RC濾波器的長檢測相位。AD4020提供高采樣率，可精確采集高達數百千赫茲的高頻信號。它還支持抽取功能，可擴大動態范圍，從而實現對低壓信號的精密檢測。此外，還可減少對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行編程，同時提供讀寫功能。

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換率和整個增益范圍。此電路支持雙極和單極單端或全差分輸入信號（高達±10 V），增益為1至10。輸入電壓范圍與增益呈函數關系，參見表1。

表1. 輸入電壓范圍與增益的函數關系

圖示電路也提供校準選項，以適用于更大的PGIA范圍。此功能提供精準的比率性能，通過提供信號緩沖、放大和衰減、共模電平漂移選項，以及各種應對模擬信號處理挑戰的其他功能來簡化系統設計。通過高阻抗輸入和可編程增益設計，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，可以輕松實現適用于極高精度要求應用的高精度數據采集系統。