2021-02-20来源: EEWORLD作者: ADI公司产品应用gongchengshi Hooman Hashemiguan键zi:传感器  ADC

有mei有一个模块能让我直jie将微小的传感器输出信号转换为ADC输入电压?

 

有的,ADI公司zui新襮ian矸興a器系列可以一ju完chengru下任务:抑制共模信号,放da差模信号,将电压转换为fu合要求的ADC输入电压,并且保护ADC免受过压影响!

 

在无shu的gong业、汽车、仪器襮ian韍e众多qi他应用中,普biancun在一项挑战,就是ru何将微小的传感器信号正que连jie到ADC,襶un迪謘huzihuaheshu据cai集。传感器信号通常hen微弱,可能有hen高噪声,看蓌ianハ袷且桓龇浅8叩淖杩乖矗?挥赿a共模(CM)电压zhi上。zhe些都是ADC输入suo不乐见的。本文将jie绍zui新集cheng解决方案,可以彻di解决gongchengshi提出祄ou?龅鼻澳芰Ψ段У奈侍狻1疚膆uai会xiang细jie绍设计步zhou,以便配zhi一个完整的传感器jie口襮ian矸興a器来qu动ADC输入。

 

图1.从传感器到达ADC的挑战

 

shi胏i屎洗?衅骷拔?斡形侍猓军/p>

 

zhe个问题的简短答案是襮ian矸興a器。传感器适合连jie的对象是襮ian矸興a器。

 

襮ian矸興a器具有高精度(低失调)he低噪声特性,不会破坏小输入信号。qi差fen输入适合于许多传感器信号(ru应变计、压力传感器等),并且能gou抑制任何cun在的共模信号,仅留下我men感兴趣的yuanshi小电压,而不会留下不需要的共模信号。襮ian矸興a器具有henda的输入阻抗,不会给传感器带来fu载,que保cui弱的信号不受信号处理的影响。磗ong猓?qian矸興a器通常使用单个外部电阻即可提供henda祅ao鲆鎕e可选增益范围,因而非常灵活,可让目标小信号适应远高于信号路径噪声电苆iang牡缪筯eADC模ni输入。襮ian矸興a器是针对精mi性能而设计的,内部jin行了调整,能gou在hen宽的gong作温秖ue段?诒3謖i性能,并且不受电源电压变hua的影响。襮ian矸興a器huai具有极低祅ao鲆嫖蟛睿瑉he也有助于qiwei持精度,并限制摆幅变huasuo造cheng的测量或信号误差。


ADC输入乐见shi么?

 

qu动ADC输入可不是那么容易。前端的内部电容(图2中的CDAC)开guan操作会yin起电he注入,zhe使de传输高线性度的稳ding信号以供ADC量huacheng为一项艰巨的任务。qu动ADC输入的qu动器必须能gou处理zhe些da的电he注入,并在下一个转换周期zhi前迅速稳ding下来。磗ong猓??軦DCfen辨率(位shu),qu动器祅ao肷鵫e失真不应cheng为限制因素。

 

要达到上述要求绝非襷i拢?乇鹗嵌za诘凸?膓u动器而言。另外,由于ban导体gong艺的蟴hi鷋ua,ADCgong作电源电压日渐下jiang。zhe种qu势的不良副作用zhi一是,ADC输入变de更容襷i苁淙牍?沟挠跋欤?⒖赡茉靋heng伤hai或损坏。zhe就需要有外部电路来防范zhe种过压。ci类外部电路不仅不能将任何可测量噪声加入信号,而且不应限制带宽或yin起任何形蔶iang氖д妗A硗鈎uai非常xi望整个电路能kuai速反应,并能从过压事件中迅速地恢fu。

 

偏移输入信号以fu合ADC模ni输入电压范围也cun在挑战。为zhi行ci任务而添加的任何电路yuan件秊i匦胱袷厍懊媪谐龅膕uo有限制tiao件(即低失真、低噪声、足gou的带宽等)。

 

ru果襮ian矸興a器能gou直jiequ动ADC就好了!

 

市面上的suo有襮ian矸興a器都cun在一些缺点,因ci需要更多电路yuan件才能完cheng从物理shijie(传感器)到shuzishijie(ADC)的路径。传蚦hengxi?qian矸興a器不是qu动ADC的shou选电路yuan件(mou些ADCbiqi他ADC更精mi)。襮ian矸興a器suo做的事qing已经gou多了,xi望ta做de更多似乎瞙uai?剑狘/p>

 

ke服ADCqu动器的谐波失真(HD)是一项困nan的挑战。下面是ADCqu动器必须满足或超过的失真性能的表达式,qi是ADCfen辨率的函shu:

 

SINAD=6.02×ENOB+1.76dB(1)

SINAD:SNR+失真

ENOB:有xiao位shu

 

因ci,秡a?6位ENOB,SINAD≥98dB

 

当前市场上的襮ian矸興a器通常不是为qu动ADC输入而设计的。造chengzhe种qingkuang的zui常见yuan因是zhe些器件缺乏高fen辨率ADCsuo需的线性度。线性度或谐波失真(也chen为THD,即zong谐波失真)是zui有可能的限制因素,襮ian矸興a器因ci而无法直jiequ动ADC。当fuza波形beishuzihua后,一旦qibei失真项干rao,信号便无法yuci类干rao区fen开来,shu据cai集将bei破坏!qu动器huai应能gou从zhi前解释的ADC输入电he注入瞬态中kuai速稳ding下来。

 

改jin当前解决方案

 

现在,新的襮ian矸興a器系列不仅能gou完cheng襮ian矸興a器传蚦heng蟬uo做的suo有事qing,而且能非常好地直jiequ动ADC并保护ADC输入!LT6372-1(支持0dB到60dB祅ao鲆妫﹉eLT6372-0.2(支持–14dB到+46dB祅ao鲆?衰减)可襶uan镏?阠heng精mi传感器jie口的任务,直jiequ动ADC输入。

 

使用诸ruLT6372系列的高精度、低噪声襮ian矸興a器来直jiequ动ADC模ni输入具有明xian的优势,无需zai增加一个放da或缓冲级。qi中的一些好处包kuo:减shaoyuan件shu量,jiang低功耗hecheng本,缩小电路板面积,提供高CMR、出色的直流精度、低1/f噪声,通过单个yuan件选择增益。

 

许多bei选作ADCqu动器的高速运算放da器可能mei有LT6372系列suo具有的低1/f噪声特性,yuan因是后者cai觤iㄓ術ong艺制造。磗ong猓?赡苄枰?砑佣钔獾幕撼録e增益级以放da微小的传感器信号。cai用襮ian矸興a器直jiequ动ADC时,放da器级或基zhun电压源都mei有yuzhi相当的额外噪声源或直流偏移项。

 

 

LT6372-1heLT6372-0.2具有极高的输入阻抗,可襷a氪?衅骰蚶嗨菩藕攀淙雑ie口,并提供da增益(LT6372-1)或衰减(LT6372-0.2)而不会yin起fu载xiao应,tong时qi低失真he低噪声可que保精que转换而不会jiang低性能,支持16位he更低fen辨率ADC以高达150kSPS的速率运行。图4xian示了在给ding增益设zhi下每个器件可襶un迪zhi拇?怼Ⅻ/p>

 

LT6372-1失真yu频率的guan系参见图5,应que保失真项不会影响ADC在zui高目标频率的THD性能。以ADCLTC2367-16为li,qiSINAD规格为94.7dB。为que保qu动器不是主要因素,图5xian示LT6372-1是小于约5kHz频率的合适选择。

 

LT6372-1觤i鰽DCqu动器的精妙zhi处

 

除前面提礿iang挠诺銁hi外,LT6372系列的fen离基zhun电压架构(在图6中xian示为fen开的RF1heRF2yin脚)yun许以将信号直jie有xiao地平移到ADCFS电压范围内,而无需使用额外的基zhun电压源heqi他外部电路来达到相tong目的,从而jiang低cheng本hefuza性。秡a赿a多shuADC,REF2(ci处xian示yuVOCM直流电压相连)将yuADCVREF电压相连,zhe将que保ADC模ni输入中间电平为VREF/2。

 

LT6372系列的内zhi输出箝位(CLHIheCLLO)que保ADC的敏感输入不会受到正向或fu向瞬变的破坏或可能的损hai。该系列支持无失真的输出摆幅达到箝位电压,并能goukuai速响应he恢fu,从而在可能的瞬变触fa任一箝位zhi后保护ADC并使zhi迅速恢fu正常gong作。

 

有些SARADC的模ni输入给放da器qu动带来了具挑战性的fu载。放da器需要有低噪声hekuai速建立特性,并具备高直流精度,以将干rao信号的rao动保持在一个LSB或更小。更高的cai样速率he更高jie的ADC对放da器的要求也更高。图7xian示了dian型SARADC的输入。

 

图7suo示的开guan位zhi秡aτ赾ai样或cai集模式,在该模式下,模ni输入连jie到cai样电容CDAC,然后在下襤uaiぷ鱦ie段开shi转换。

 

在cijie段开shizhi前,开guanS2已将CDAC电压放电至0V或qi他偏zhi点,liruFS/2。在cai样周期开shi时,S1闭合且S2断开,VSHhe模ni输入的电压差导致瞬态电流流动,使deCDAC可以充电达到模ni输入电压。秡a诮细遚ai样速率的ADC,该电流可能高达50mA。电容CEXT有助于籬ang飧玫缌鱦ie跃yin起的放da器输出电压的jie跃变hua,但放da器仍会受到qi干rao,需要在cai集周期jie束zhi前及时建立。电阻REXT将qu动器yuCEXTge开,并且在qu动da电容蔮ei鼓躩iang低qi对稳ding性的影响。guan于REXTheCEXTzhi祅an≡瘢?枰?ê鈠he謟hi缌髯⑷朐靋heng的更dage离yu以zhe种方式形cheng的低通滤波器suo导致的建立时间性能下jiang。ci滤波器也有助于减小带外噪声并改善SNR,瞙uai齴he不是qi主要功能。

 

ADC前端RCyuan件zhi设计

 

选择REXTheCEXT的zhi时要考虑hen多因素。以下是影响FFT或qi他方式测de的ADC动态响应的因素zongjie:


?CEXT:充当输入电he反冲的电hetong,使电压jie跃zui小,从而改善建立时间。

■太da:可能会影响放da器稳ding性,并可能将LPF滚jiang频率jiangde太低而无法让信号通过。

■太小:ADC输入的电he反冲太da,无法及时建立。

 

?REXT:在放da器输出heCEXTzhi间提供ge离,以que保稳ding性。

■太da:可能会使建立时间常shu过chang。当计入ADC输入非线性阻抗时,也可能导致THD升高1。可能会增加IR压jiang误差。

■太小:由于CEXT,放da器可能变de不稳ding或qi正向路径建立可能会受礿ie跋臁Ⅻ/p>

 

 

下面是设计REXTheCEXTzhi的一些设计步zhou,以LT2367-16ADC为li,qi由LT6372-1qu动,zuida输入频率fIN为2kHz,cai样速率为150kSPS(下面mou些公蔶iang耐暾?频疾渭?慰嘉南?):

 

选择足gouda的CEXT充当电hetong,zuidacheng度减shao电he反冲:

 

qi中:

 

CDAC:ADC输入电容=45pF(LTC2367-16)

→CEXT=10nF(选dingzhi)

使用下式计算ADC输入电压jie跃VSTEP:

 

qi中:

VREF=5V(LTC2367-16)

CDAC:ADC输入电容=45pF(LTC2367-16)

CEXT=10nF(zhi前)

→VSTEP=22mV(计算zhi)

 

注意:ciVSTEP函shu假dingCDAC在每个cai样周期jie束时都放电至地,LTC2367-16襝ai莚uci。参考文献1中的VSTEP公式使用了不tong的假设,因为ta是针对ADC架构的,CDAC电压秡a诿扛鲅?颈3植槐洹Ⅻ/p>

假设jie跃输入以zhishu方式建立,计算需要多shao个输入REXT×CEXT时间常shuNTC才能建立:

 

qi中:

VSTEP:zhi前计算的ADC输入电压jie跃

VHALF_LSB:LSB/2,单位为fu特。秡a?VFShe16位,qi为38μV(=5V/217)

→NTC=6.4个时间常shu

 

计算时间常shuτ:

 

qi中:

tACQ:ADCcai集时间;tACQ=tCYC–tHOLD

 

假设cai样率为150kSPS:

tCYC=6.67μs(=1/150kHz)

tHOLD=0.54μs(LTC2367-16)

 

因ci:tACQ=6.13μs

→τ≤0.96μs

 

在已知τheCEXT的qingkuang下,可以计算REXT:

→REXT≤96Ω

 

现在我men有羢ong獠縍Czhi,suo选ADC可襶un实钡亟?ⅰ?u果计算出的REXT过高,可以增加CEXT并重新计算REXT以减小qizhi,反zhi亦然。图8xian示了CEXT祅an?ingzhihe秡aΦ腞EXTzhi,用以简hua本ligong作tiao件下的计算任务。

 

图8.ADC正que建立秡aΦ耐獠渴淙隦Cguan系

 

使觤en懊娴牟絲hou找到合适的REXTheCEXT起shizhi。应zhi行基zhun测试he评gu,并根据需要优huazhe些zhi,tong时牢jici类变动对性能的影响。

 

zongjie

 

jie绍了一个新的襮ian矸興a器系列,ta能bang助连通传感器yushu据cai集器件。本文xiang细tan讨了zhe些器件的特性,并通过一个实約hi?铀de髁藃u何设计ADC前端yuan件以que保qu动器yuADC的组合能gou提供yu期的fen辨率。

 

 

guan键zi:传感器  ADC 编辑:muyan yin用地址:http://news.eeworld.com.cn/mndz/ic526873.html

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