數(shù)據(jù)采集應(yīng)用：可編程增益儀表放大器設(shè)計(jì)

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(jìn)行接口，來(lái)精確、可靠地測(cè)量信號(hào)。根據(jù)傳感器具體類型和待測(cè)電壓/電流幅度的不同，信號(hào)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(jìn)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(cè)量范圍是從±0.1 V到±10 V。通過(guò)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(jìn)而最大程度地提高信噪比（SNR）和測(cè)量精度。在典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要衰減的信號(hào)與需要放大的信號(hào)分別通過(guò)不同的信號(hào)路徑進(jìn)行處理，這通常導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)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(hào)路徑中實(shí)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?cè)鲆娣糯笃?，但這些放大器往往不能提供許多工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用所需的高直流精度和溫度穩(wěn)定性。

　　有一種方法可以構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的模擬前端，以便在單一信號(hào)路徑中實(shí)現(xiàn)衰減和放大，并且提供差分輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖1所示，將一個(gè)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(gè)全差分漏斗（衰減）放大器，如AD8475等級(jí)聯(lián)。該解決方案簡(jiǎn)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(dāng)增益為10時(shí)，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(shí)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(jié)合，使得這些放大器非常適合具有多路復(fù)用輸入的數(shù)據(jù)采集應(yīng)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(guò)壓保護(hù)等功能。這個(gè)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(shí)，可以處理最高±10 V的信號(hào)電平。因此，它能使工業(yè)電平信號(hào)與低壓、高性能、采樣速率高達(dá)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(gòu)成一個(gè)靈活的高性能模擬前端。表1列出了可以實(shí)現(xiàn)的增益組合，具體取決于輸入和輸出電壓范圍要求。

　　圖1. 使用AD825x PGIA和AD8475差分輸出漏斗放大器的數(shù)據(jù)采集模擬前端

　　表1. AD8475與AD8250、AD8251或AD8253組合可以實(shí)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(shí)，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(guò)電源軌13 V的額外過(guò)壓保護(hù)）。在本應(yīng)用中，對(duì)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(hào)路徑增益設(shè)置。例如，18位2 MSPS PulSAR ADCAD7986采用2.5 V單電源供電，典型基準(zhǔn)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(shè)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(hào)最大幅度為±10.24 V。

　　為了確定系統(tǒng)所需的增益設(shè)置組合，應(yīng)考慮ADC （VFS）的滿量程輸入電壓以及傳感器預(yù)計(jì)會(huì)提供的最小/最大電流或電壓電平。