集成PGIA、用于工業(yè)級信號的低功耗、多通道數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(dú)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(fù)用器、可編程增益儀表放大器(PGIA)、用于執(zhí)行單端轉(zhuǎn)差分任務(wù)的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)驅(qū)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(zhuǎn)換同步，最大通道切換速率為1 MHz。單通道采樣速率高達(dá)1 MSPS，分辨率為18位。通道切換速率高達(dá)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集信號鏈，由多路復(fù)用器、可編程增益級、ADC驅(qū)動器和全差分PulSAR ADC組成。

　　通道切換和增益切換與ADC的轉(zhuǎn)換周期同步。系統(tǒng)可以使用單個ADC監(jiān)控多達(dá)八個通道，相比每通道一個ADC的系統(tǒng)而言，減少了元件數(shù)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(shù)。

　　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(fù)用信號本質(zhì)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(zhuǎn)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(fù)用器通道會在ADC開始新的轉(zhuǎn)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(fù)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(wǎng)絡(luò)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(shè)置。較高的增益設(shè)置使較小的輸入信號升壓至AD7982的滿量程輸入范圍內(nèi)。每一個增益設(shè)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(zhuǎn)換以及單端至差分轉(zhuǎn)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(qū)動AD7982。

　　AD7982是一款全差分、1 MSPS、18位PulSAR ADC，使用4.096 V基準(zhǔn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想傳遞函數(shù)。

　　圖2.ADC理想傳遞函數(shù)

　　數(shù)據(jù)采集信號鏈上的每一個元件都存在誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)的真實(shí)傳遞函數(shù)與圖2有所不同。這些誤差的累積效應(yīng)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(jìn)行測量。該系統(tǒng)的目標(biāo)誤差是失調(diào)誤差和增益誤差。

　　失調(diào)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(diào)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的失調(diào)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(shè)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(jìn)行失調(diào)誤差測量。

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

　　其中，εb,i和εb,j分別表示i和j通道的失調(diào)誤差。

　　每一種增益配置都存在失調(diào)誤差匹配。注意，失調(diào)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(shù)如圖2所示，其中?217和217 ? 1輸出碼分別對應(yīng)負(fù)滿量程輸入電壓(?FS)和正滿量程輸入電壓(+FS);然而，失調(diào)誤差(εb)和增益誤差(εm)的組合卻會導(dǎo)致此關(guān)系產(chǎn)生偏差。

　　增益誤差可以表示為實(shí)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(chǎn)生217 ? 1碼的理想和實(shí)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(zhǔn)電壓(VREF)的精度成函數(shù)關(guān)系?；鶞?zhǔn)電壓誤差會導(dǎo)致ADC的增益誤差。為了去耦基準(zhǔn)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(dú)立。因此，增益誤差針對四個增益配置分別進(jìn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生的噪聲功率實(shí)現(xiàn)。

　　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(yù)計噪聲貢獻(xiàn)以及整個系統(tǒng)的預(yù)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(xiàn)。