當(dāng)前位置:首頁 > 公眾號精選 > 21ic電子網(wǎng)
[導(dǎo)讀]模擬前端處理的對象是信號源給出的模擬信號,其主要功能通常包括信號放大、濾波、接收ADC和/或發(fā)送路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(DAC)等,對于特定應(yīng)用領(lǐng)域可能還包括頻率變換或者調(diào)制解調(diào)等其他功能。

模擬前端處理的對象是信號源給出的模擬信號,其主要功能通常包括信號放大、濾波、接收ADC和/或發(fā)送路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(DAC)等,對于特定應(yīng)用領(lǐng)域可能還包括頻率變換或者調(diào)制解調(diào)等其他功能。而放大器和ADC是此類應(yīng)用中最重要的兩個(gè)模塊,特別是常見的傳感器信號處理模擬前端。 那么典型的模擬前端電路應(yīng)當(dāng)如何設(shè)計(jì)呢?本文從高性能模擬技術(shù)提供商ADI公司的一款典型電磁流量計(jì)案例為例進(jìn)行應(yīng)用分析,該應(yīng)用中就涉及到最典型的傳感器信號采集處理,對常見的模擬前端設(shè)計(jì)具有參考意義。

▍過采樣法簡化模擬前端架構(gòu)

電磁流量計(jì)是目前使用最為廣泛的流量技術(shù)之一,主要用于液體流量測量,重點(diǎn)是自來水與污水處理系統(tǒng)。電磁流量計(jì)的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律——當(dāng)導(dǎo)電流體流經(jīng)傳感器的磁場時(shí),一對電極之間就會產(chǎn)生與體積流量成正比的電動勢,因而通過測量該電勢實(shí)現(xiàn)對流量的判斷,其主要的發(fā)展趨勢是減少PCB面積和提升性能。 針對其模擬前端,傳統(tǒng)方法大致上是模擬式——具有高輸入阻抗和高輸入共模抑制性能的前置放大器用來應(yīng)對傳感器漏電流效應(yīng),然后是三階或四階模擬帶通濾波器和采樣保持級,最后是模數(shù)轉(zhuǎn)換。如下圖所示,傳感器輸出信號首先經(jīng)由儀表放大器放大。必須盡量放大目標(biāo)信號,同時(shí)要避免不需要的直流共模電壓引起放大器輸出飽和。這通常會將第一級儀表放大器的增益限制在最多10 倍。帶通濾波器級進(jìn)一步消除直流影響,并再次放大信號,然后進(jìn)入采樣保持電路——正是這個(gè)差值信號代表流速——隨后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

手把手教你,設(shè)計(jì)典型的模擬前端電路

傳統(tǒng)模擬前端方法 過采樣方法大大簡化了模擬前端設(shè)計(jì)。模擬帶通濾波器和采樣保持電路不再需要。電路中的前置放大器僅有一級儀表放大器——在我們的例子中是AD8220 JFET 輸入級軌到軌輸出儀表放大器,它可以直接連接到高速Σ-Δ 型轉(zhuǎn)換器。 手把手教你,設(shè)計(jì)典型的模擬前端電路

采用AD8220 和AD717x-x 的過采樣架構(gòu)模擬前端

▍影響模擬前端設(shè)計(jì)的幾大關(guān)鍵因素解析

放大器
第一級放大器有幾項(xiàng)關(guān)健要求。一個(gè)要求是共模抑制比 (CMRR)。在電磁流量計(jì)應(yīng)用中,電極的金屬材料與電解質(zhì)液體接觸。液體電解質(zhì)與電極之間的摩擦?xí)a(chǎn)生較高頻率的交流共模電壓。雖然幅度通常很小,但交流共模表現(xiàn)為完全隨機(jī)的噪聲,更難抑制。這就要求前置放大器不僅具有良好的直流共模抑制比,而且要有出色的較高頻率共模抑制比。AD8220 放大器在直流到5 千赫茲范圍內(nèi)具有出色的共模抑制比。對于AD8220 B 級,直流到60 赫茲范圍的最小共模抑制比為100 dB,5 千赫茲以下為90 dB,能夠很好地將共模電壓和噪聲抑制到微伏水平。當(dāng)共模抑制比為120 dB 時(shí),0.1 伏峰峰值降低到0.1 微伏峰峰值。
手把手教你,設(shè)計(jì)典型的模擬前端電路

前置放大器的共模抑制

前置放大器級的低漏電流和高輸入阻抗是又一重要參數(shù)。放大器的高輸入阻抗可防止傳感器輸出過載,避免信號幅度減小。放大器的漏電流應(yīng)足夠低,這樣當(dāng)它流經(jīng)傳感器時(shí),不會成為一個(gè)顯著的誤差源。AD8220 的最大輸入偏置電流為10 pA,輸入阻抗為1013Ω,因此它能支持電磁流量傳感器的廣泛輸出特性。最后,0.1 赫茲至10 赫茲范圍的1/f 噪聲設(shè)置應(yīng)用的噪底。當(dāng)增益配置為10 時(shí),AD8220 折合到輸入端的電壓噪聲約為 0.94 μV p-p,它能分辨6 毫米/秒的瞬時(shí)流速和小于1 毫米/秒的累計(jì)流速。

ADC 過采樣方法既帶來了挑戰(zhàn),也對ADC 模塊提出了更高的性能要求。由于沒有后級模擬濾波器有源增益級,所以僅有一小部分的ADC 輸入范圍獲得使用。過采樣和平均本身不等于性能的顯著提高,因?yàn)楦鱾鞲衅髦芷谛枰耆⑾聛聿拍苡糜诹髁坑?jì)算。此外,需要從這些有限的數(shù)據(jù)點(diǎn)獲得足夠多的模數(shù)轉(zhuǎn)換樣本,從而在固件處理過程中消除意外毛刺。
手把手教你,設(shè)計(jì)典型的模擬前端電路

模擬前端和ADC 的噪聲預(yù)算

過采樣架構(gòu)一般要求ADC 數(shù)據(jù)速率大于20 kSPS,越快越好。這與實(shí)際流量測量沒有明確關(guān)系。由于不存在模擬帶通濾波 器,ADC 輸入端會直接看到傳感器原始輸出。這種情況下, 傳感器的上升沿未經(jīng)濾波,因此ADC 在上升沿和下降沿期間 須具有足夠高的分辨率,以便足夠準(zhǔn)確地捕捉這些邊沿。 流量計(jì)的精度本身可通過瞬時(shí)流量測量或累計(jì)流量測量來確定。流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用累計(jì)流量技術(shù) — 測量長時(shí)間(比如30 或60 秒)內(nèi)某一水量的平均流量。通過這種測量(而非瞬時(shí) 流量測量)可確定系統(tǒng)精度為±0.2%。瞬時(shí)流量適合需要實(shí)時(shí)流速的應(yīng)用場合。它對電子器件的精度要求要高得多。理論上,為了分辨5 毫米/秒的瞬時(shí)流量,ADC 需要在一個(gè)激勵周期(約600樣本的后置FIR濾波器)內(nèi)實(shí)現(xiàn)20.7 位的峰值分辨率。這可通過模擬前端來實(shí)現(xiàn)。 我們的方案中采用的是ADI公司低噪聲、多路復(fù)用Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7172-2,該ADC提供低輸入噪聲和高采樣速度的完美組合,特別適合電磁流量應(yīng)用。采用2.5 V 外部基準(zhǔn)電壓源時(shí),AD7172-2 的典型噪聲低至0.47μV p-p。這意味著,最終流量結(jié)果的刷新速率可以達(dá)到50 SPS,而不需要增加外部放大級。

▍本文總結(jié)

本文僅提供了一個(gè)一般的應(yīng)用場景下的模擬前端設(shè)計(jì)參考思路,根據(jù)傳感器具體類型和待測電壓/電流幅度的不同,不同的模擬前端電路設(shè)計(jì)會面臨各種的挑戰(zhàn),例如:信號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;而在典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,需要衰減的信號與需要放大的信號會分別通過不同的信號路徑進(jìn)行處理,這些不同路徑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,同時(shí)也會導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜,從而大量占用電路板空間。在具體的應(yīng)用中需要結(jié)合應(yīng)用場景的具體要求進(jìn)行電路調(diào)整和優(yōu)化。


來源:ADI

免責(zé)聲明:本文內(nèi)容由21ic獲得授權(quán)后發(fā)布,版權(quán)歸原作者所有,本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。文章僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn),不代表本平臺立場,如有問題,請聯(lián)系我們,謝謝!

21ic電子網(wǎng)

掃描二維碼,關(guān)注更多精彩內(nèi)容

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉