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  許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都要求高精度和快速采集數(shù)據(jù),以便允許該系統(tǒng)能夠檢測小信號并且能將更多的傳感器通道聚集在同一系統(tǒng)。傳感器通道越多,系統(tǒng)的外形就能夠越小,成本和功耗也越低。遠程光通信和醫(yī)用設(shè)備(例如,CT掃描儀)即得益于快速和高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在光功率系統(tǒng)(例如,激光泵)中,需要不斷監(jiān)視其功率水平。在這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,對于需要≥90dB動態(tài)范圍的輸入激光功率,其激光控制環(huán)路響應(yīng)時間要求具有1MSPS的采樣率。在CT掃描儀中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具有16 b到22 b的分辨率,以便處理通過各種人體組織的寬動態(tài)范圍的X射線信號。該系統(tǒng)需要大量的光檢測器(較多的數(shù)據(jù)采集通道)和高精度數(shù)據(jù)采集以提高圖像分辨率。

  以上兩個例子說明了系統(tǒng)要求的是相對精度,而非絕對精度。盡管能夠檢測出10nW的功率變化相對于1μW的輸入光功率很重要,但同樣的10nW變化作為1.00001mW與1mW之差的絕對值則顯得無足輕重。然而表征模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)精度的技術(shù)指標--積分線性誤差(INL)是一種絕對誤差。為了獲得最佳相對精度,本文提出一種創(chuàng)新的解決方案是在精密ADC前端使用可編程增益放大器(PGA)。AD7677 ADC的滿量程線性誤差為±15 ppm(在16 bit分辨率條件下為±1 LSB)。在此ADC前端的PGA達到穩(wěn)定狀態(tài)的建立時間必須足夠快,以便與具有相同分辨率ADC的轉(zhuǎn)換速度相匹配。另外,該PGA還必須具有盡可能低的噪聲,因為它決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信噪比(SNR)。為了解決這些問題,本設(shè)計中的放大器采用AD8021運算放大器,它具有滿足設(shè)計要求的速度、精度和快速建立時間,并且其電壓噪聲譜密度僅為2 nV/√Hz。圖1示出該PGA增益設(shè)置與其ADC精度的對應(yīng)關(guān)系。當輸入信號幅度很低時能使該系統(tǒng)達到19 b精度。

(See Fig 1 of original article)
圖1 在16位 ADC前端使用一個PGA能將其精度提高到19位

  ADC的相對精度通常是指在滿度范圍被校準的情況下,任意數(shù)字量所對應(yīng)的模擬量實際值與理論值之間的偏差最大值,用相對滿度范圍百萬分比(ppm)表示(也可用百分比,或LSB表示),再加減(±)其系統(tǒng)測量過程引起的最小絕對誤差所對應(yīng)的ppm。圖2所示的電路設(shè)計能達到107ppm±1.9ppm的相對精度。模擬多路復(fù)用器IC4含有多個帶寬較小的通道以便利用ADC的1MSPS采樣率。因為PGA對多路復(fù)用器表現(xiàn)為高輸入阻抗,所以可級聯(lián)多個多路復(fù)用器,從而增加通道數(shù)。多路復(fù)用器還具有一個校準輸入端口,從而利用一個校準基準電壓就可以簡便地校準每次增益設(shè)置引起的失調(diào)電壓和增益誤差。校準僅需要在加電或工作條件(例如,溫度)發(fā)生變化時進行。放大鏈路由多路復(fù)用器、比較器、前置放大器和ADC組成。AD7677具有逐次逼近型結(jié)構(gòu),它允許放大鏈路中的單獨部分同時工作。當ADC對一個通道進行采樣時,其比較器和放大器可以使隨后的通道達到穩(wěn)定。因此,該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能以ADC的最大采樣速率工作。

(See Fig 2 of original article)
圖2 通過PGA與16 位ADC結(jié)合使系統(tǒng)提供19 位精度

  在模擬多路復(fù)用器達到穩(wěn)定之后,快速比較器IC1立刻完成適當?shù)脑鲆嬖O(shè)置。比較器的閾值電壓使信號被IC6 和IC7放大后不會飽和或嵌位。AD8561 比較器的響應(yīng)時間為7 ns,它提供一個鎖定信號,能夠在放大器達到穩(wěn)定期間和ADC捕獲信號期間保持增益不變。通常的PGA配置要求用戶在輸入端施加信號之前預(yù)先設(shè)置放大器的增益。圖2中的PGA具有"自動設(shè)置增益范圍"的特點,它能夠選擇最適當?shù)腜GA增益以獲得最高精度而不引起信號飽和或嵌位。比較器包含滯后電路,以便在信號接近某一個具體增益范圍限制時減少設(shè)置的增益變化。該電路能自動將ADC的精度提高到19位,同時又能保持其1MSPS的全速采樣速率。

  IC6 使用1或8的增益設(shè)置對多路復(fù)用器的輸出信號進行放大,如果需要提供最大可達到25的不同增益,可以改變反饋網(wǎng)絡(luò)電阻。模擬開關(guān)IC3控制增益的設(shè)置。運算放大器AD8021的高增益帶寬乘積能提供足夠的帶寬,因而其補償電容對所有的增益保持相同。放大器IC7 為ADC產(chǎn)生差分輸入信號。比較器和放大器的建立時間以及ADC的捕獲時間都遠小于ADC 的1μs的轉(zhuǎn)換時間。ADC兩個輸入端的RC噪聲濾波器R1/C1和R2/C2,它們占用額外時間。這些濾波器限制PGA的噪聲帶寬。當IC7 的增益為-1時,PGA是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要的噪聲源。

  圖3示出該電路設(shè)計的線性誤差。在這種最高增益設(shè)置條件下達到如此低的線性誤差(圖中示出最大值為0.44 LSB,最小值為-0.37 LSB)并非易事。這相當于±0.9 ppm的典型誤差。當增益為8時,輸出噪聲為85 μV rms。如果需要,可以利用軟件平均進一步減少噪聲。圖4示出使用AD7677評估板構(gòu)成的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),印制電路板面積為15×30 mm。

See Fig 3 of original article)
圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于所有可能ADC數(shù)字量的線性誤差

(See Fig 4 of original article)
圖4 以1美分硬幣為參照的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相對尺寸



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