适合宽动态范围信号调理的灵活4通道模拟前端 - 全文

电路功能与优势

图1所示电路是一种灵活的信号调理电路，用于处理宽动态范围（从几mV p-p到20 V p-p）的信号。该电路利用高分辨率模数转换器（ADC）的内部可编程增益放大器（PGA）来提 供必要的调理和电平转换并实现动态范围。

在过程控制和工业自动化应用中，±10 V满量程信号非常常见；然而，有些情况下，信号可能小到只有几mV。用现代低压ADC处理±10 V信号时，必须进行衰减和电平转换。但是，对小信号而言，需要放大才能利用ADC的动态范围。因此，在输入信号的变化范围较大时，需要使用带可编程增益功能的电路。

此外，小信号可能具有较大的共模电压摆幅；因此需要较高的共模抑制（CMR）性能。在某些源阻抗较大的应用中，模拟前端输入电路也需要具有高阻抗。

 

图1. 适合宽工业范围信号调理的灵活模拟前端电路

图1所示电路解决了所有这些难题，并提供了可编程增益、高CMR和高输入阻抗。输入信号经过4通道ADG1409 多路复用器进入 AD8226低成本、宽输入范围仪表放大器。AD8226 提供高达80dB的高共模抑制（CMR）和非常高的输入阻抗（差模800M和共模400M）。宽输入范围和轨到轨输出使得AD8226可以充分利用供电轨。

AD8475是一款全差分衰减放大器，集成精密增益电阻，可提供精密衰减（G=0.4或G=0.8）、共模电平转换及单端差分转换功能AD8475是一种易于使用、完全集成的精密增益模块，采用单电源供电时，最高可处理±10 V的信号电平。因此，AD8475适用于衰减来自AD8226且最高20Vp-p的信号，同时维持高CMR性能并提供差分输出来驱动差分输入ADC。

AD7192是一款内置PGA的24位ADC。片内低噪声增益级（G=1、8、16、32、64或128）意味着可直接向该ADC输入小信号。

结合上述器件，对幅度会变化的信号而言，该电路可以提供非常好的性能且易于配置。该电路适合工业自动化、过程控制、仪器仪表和医疗设备应用。

电路描述

该电路包含一个ADG1409多路复用器、一个AD8226仪表放大器、一个AD8475差动放大器、一个AD7192Σ-Δ型ADC（带 ADR444基准电压源）以及 ADP1720稳压器。只需少量外部元件来提供保护、滤波和去耦，使得该电路具有高集成度，而且所需的电路板（印刷电路板［PCB］）面积较小。

稳压器和基准电压源的选择

该电路选择ADP1720-5作为5 V稳压器。它是一款高压、微功耗、低压差线性稳压器，适合工业应用。

该电路选择4.096V ADR444作为基准电压源。它是一款超低噪声、高精度、低压差器件，特别适合高分辨率、∑-△型ADC和精密数据采集系统。

输入开关和保护

ADG1409 多路复用器拥有2位二进制地址线，可用于选择四种可能的输入通道之一。该设计还包括外部保护功能，如标准二极管和瞬态电压抑制器，用以增强电路的鲁棒性。这些在图1中并未显示，但是在CN0251设计支持包的详细原理图及其它文档中有所展示。

ADG1409多路复用器配置为接收四路差分输入信号：（VS1A−VS1B）、（VS2A−VS2B）、（VS3A−VS3B）和（VS4A−VS4B）。多路复用器的输出（DA和DB）施加于 AD8226仪表放大器的输入端。

AD8226输入仪表放大器

外部RG电阻设置AD8226的增益。对于该电路，省略了RG，且仪表放大器级的增益为1。因此，AD8226的输出为VSxA–VSxB，其中x为输入通道编号。

AD8226的差分输入由两个4.02k电阻和一个10nF电容进行滤波，这些电阻和电容构成一个截止频率为2.0kHz的单极点RC滤波器。两个1nF电容增加了截止频率为40kHz的共模滤波。

AD7192ADC PGA增益配置

AD7192配置为接收差分模拟输入，以匹配来自AD8475的差分输出信号。 AD7192的满量程输入范围为±VREF/增益，其中±VREF=REFINx（+）-REFINx（-）。

AD7192中的缓冲器使能时，输入通道会驱动缓冲放大器的高阻抗输入级，此模式下的绝对输入电压范围将限制在AGND+250mV至AVDD-250mV。增益级使能后，缓冲器输出将施加于PGA的输入端，模拟输入范围必须限制在±（AVDD-1.25V）/增益以内，因为PGA需要额外的裕量。因此，采用4.096V基准电压源和5V电源时，为了最充分地利用ADC的动态范围，可按表1所示对信号进行衰减或放大。

表1. AD8475和 AD7192内置PGA的各种输入范围增益配置

差分衰减放大器

为了驱动低压ADC，±0V或±5V信号需要进行衰减和电平转换。若将差动放大器配置与精密电阻配合使用，势必会因电阻之间出现失配而导致CMR性能下降。AD8475电平转换器/衰减器集成精密激光调整匹配电阻，可确保低增益误差、低增益漂移（最大33ppm/°C）和高CMR特性。

AD8475提供两个引脚可选的增益选项，即0.4和0.8。VOCM引脚用于调整精密电平转换的输出共模电压，以便匹配ADC的输入范围，并使动态范围最大化。此引脚可保持悬空，并利用一个精密分压器进行内部偏置，该分压器由电源与地之间的两个200M电阻组成，从而在该引脚上提供中间电源电压。

由两个100电阻和一个1F电容组成的一个单极点差分RC滤波器充当AD7192的抗混叠和降噪滤波器，其截止频率为800Hz。两个10nF电容提供截止频率为160kHz的共模滤波。

滤波器、输出数据速率和建立时间

AD7192Σ-Δ型ADC由调制器和数字滤波器组成。输出数据速率（fADC）和建立时间（tSETTLE）与滤波器配置及斩波配置有关。表2显示了不同配置情况下的输出数据速率和建立时间计算情况。

表2. 不同配置的输出数据速率和建立时间

布局考虑

该电路或其它任何高速/高分辨率电路的性能都高度依赖于适当的PCB布局，包括但不限于电源旁路、信号路由以及适当的电源层和接地层。

系统性能

24位 AD7192 Σ-Δ 型ADC可在该电路中提供非常好的性能。

在配置设为斩波禁用、输出数据速率为4.7 Hz、增益为1且采用一个SINC4滤波器的情况下，噪声性能如图2所示，500个样本的噪声分布直方图则如图3所示。该电路中测得的峰峰值噪声约为3.9 μV（见图2），均方根噪声为860 nV。这相当于峰峰值（无噪声码）分辨率为20位，均方根分辨率为23位。表3显示了斩波禁用且采用一个SINC4滤波器时一些数据速率和增益设置条件下的AD7192均方根噪声。

图2. 噪声输出（VREF = 4.096 V， AVDD = 5 V， Output Data Rate = 4.7 Hz， a Rate = 4.7 Hz，

图3. 噪声直方图（VREF = 4.096 V，AVDD =5 V，输出数据速率 = 4.7Hz，增益 = 1，斩波禁用，SINC4滤波器）

表3. 斩波禁用且采用一个SINC4滤波器时不同输出数据速率和增益设置条件下的AD7192系统均方根分辨率（减去2.7位以获取峰峰值或无噪声码分辨率）

常见变化

可使用其它集成PGA的24位或较低分辨率的Σ-Δ型ADC， 例如 AD7190、 AD7193、 AD7797和AD7799。如果无需对输入信号进行衰减， 则可使用功耗低于 AD8475 的 AD8476。

在无需衰减和高输入阻抗的应用中，可将 AD7192 直接连接到传感器，以避免模拟前端调理电路引入的噪声。例如，满量程输出电压较小的称重传感器无需衰减，因此可以直接连接到 AD7192 差分输入端

电路评估与测试

该电路测试设置使用 EVAL-CN0251-SDPZ电路评估板和系统演示平台（SDP）评估板（ EVAL-SDP-CB1Z）。这两片板具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能 EVAL-CN0251-SzzDPZ 板包含要评估的电路，如本电路笔记所述；SDP评估板与 CN-0251 评估软件一起使用，可从 EVAL-CN0251-SDPZ中获取数据。SDP也用于控制 AD7792 ADC中的多路复用器输入和各种功能。

设备要求

需要以下设备：

带USB端口的Windows XP、Windows Vista（32位）或 Windows 7（32位）PC

EVAL-CN0251-SDPZ 电路评估板

EVAL- SDP-CB1Z SDP 评估板

直流电源：+15 V、-15 V和+6 V。

CN-0251 评估软件

入门指南

将 CN-0251 评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估 软件。找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文 件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。

功能框图

图4为测试设置功能框图。EVAL-CN0251-SDPZ-SCH.pdf文件包含 EVAL-CN0251-SDPZ 的详细原理图。

图4. 测试设置功能框图

设置

将 EVAL-CN0251-SDPZ 上的120引脚连接器连接到 EVAL-SDP-CB1Z （SDP）（SDP）上的CONA连接器。使用尼龙五金配件通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。将直流输出电源成功设置为+15 V、-15 V和+6 V输出后，关闭电源。

在断电情况下，将+15 V电源连接到J3的+15VA引脚，将-15V电源连接到J3的-15VA引脚，将GND连接到J3的AGND引脚。此外，在断电情况下，将6 V电源连接到J2。接通电源，然后将SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。接通EVAL-CN0251-SDPZ的直流电源之前，请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。

测试

设置好电源并将它连接到 EVAL-CN0251-SDPZ后，启动评估软件，并通过USB电缆将PC连接到SDP板上的微型USB连接器。如果设备管理器中列出了Analog Devices SystemDevelopment Platform驱动器，软件将能与SDP板通信。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP来发送、接收和捕捉来自 EVAL-CN0251-SDPZ的串行数据。然后，连接信号源以便进行测量。