數據采集係統的典型電壓測量範圍是從±0.1 V到±10 V。通過選擇正確的電壓範圍
，用戶間接的更改係統增益
，使模數轉換器(ADC)輸入端的采樣電壓幅度最大，進而最大程度地提高信噪比(SNR)和(he)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)。在(zai)典(dian)型(xing)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)中(zhong)，需(xu)要(yao)衰(shuai)減(jian)的(de)信(xin)號(hao)與(yu)需(xu)要(yao)放(fang)大(da)的(de)信(xin)號(hao)分(fen)別(bie)通(tong)過(guo)不(bu)同(tong)的(de)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)，這(zhe)通(tong)常(chang)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)更(geng)為(wei)複(fu)雜(za)
，需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)器(qi)件(jian)，並(bing)且(qie)占(zhan)用(yong)更(geng)多(duo)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)。在(zai)同(tong)一(yi)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)中(zhong)實(shi)現(xian)衰(shuai)減(jian)和(he)放(fang)大(da)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)一(yi)般(ban)使(shi)用(yong)可(ke)編(bian)程(cheng)增(zeng)益(yi)放(fang)大(da)器(qi)和(he)可(ke)變(bian)增(zeng)益(yi)放(fang)大(da)器(qi)，但(dan)這(zhe)些(xie)放(fang)大(da)器(qi)往(wang)往(wang)不(bu)能(neng)提(ti)供(gong)許(xu)多(duo)工(gong)業(ye)和(he)儀(yi)器(qi)儀(yi)表(biao)應(ying)用(yong)所(suo)需(xu)的(de)高(gao)直(zhi)流(liu)精(jing)度(du)和(he)溫(wen)度(du)穩(wen)定(ding)性(xing)。

 

有一種方法可以構建一個強大的模擬前端
，以便在單一信號路徑中實現衰減和放大

，並且提供差分輸出來驅動高性能模數轉換器
，如圖1所示，將一個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，與一個全差分漏鬥（衰減）放大器，如AD8475等級聯。該解決方案簡單靈活，具有高速特性，並提供出色的精度和溫度穩定性。

 

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。當增益為10時，AD8250的保證特性包括：3 MHz帶寬、18 nV/√Hz電壓噪聲、685 ns的0.001%建立時間、1.7 μV/°C失調漂移、10 ppm/°C增益漂移以及90 dB共模抑製比（DC至50 kHz）。精密直流性能與高速能力的結合，使得這些放大器非常適合具有多路複用輸入的數據采集應用。

 

AD8475是一款高速
、集成精密電阻的全差分漏鬥放大器，提供0.4或0.8倍的精密衰減、共模電平轉換
、單端差分轉換及輸入過壓保護等功能。這個易於使用、完全集成的精密增益模塊采用+5 V單電源供電時

，可以處理最高±10 V的信號電平。因此，它能使工業電平信號與低壓
、高性能、采樣速率高達4 MSPS的16位和18位逐次逼近(SAR)型ADC的差分輸入範圍匹配。

 

如圖1所示，AD825x和AD8475配合工作，構成一個靈活的高性能模擬前端。表1列出了可以實現的增益組合，具體取決於輸入和輸出電壓範圍要求。

 

圖1. 使用AD825x PGIA和AD8475差分輸出漏鬥放大器的數據采集模擬前端

 

表1. AD8475與AD8250、AD8251或AD8253組合可以實現的輸入電壓範圍和增益

 

能力：輸入電壓範圍和帶寬

 

采用±15 V電源供電時，AD825x係列PGIA的最大輸入電壓範圍約為±13.5 V（AD8250和AD8251提供最高超過電源軌13 V的額外過壓保護）。在本應用中，對PGIA輸入電壓範圍的有效限製由ADC輸入的滿量程電壓範圍和從傳感器到ADC的信號路徑增益設置。例如，18位2 MSPS PulSAR ADCAD7986采用2.5 V單電源供電，典型基準電壓為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置為0.4，即AD825x的增益為1，AD8475的增益為0.4
，則係統可以處理的輸入信號最大幅度為±10.24 V。

 

為了確定係統所需的增益設置組合，應考慮ADC (VFS)的滿量程輸入電壓以及傳感器預計會提供的最小/最大電流或電壓電平。

 

 

就其精度和功能水平而言
，該模擬前端的速度和帶寬極為出色。該電路的速度和帶寬由下列因素共同決定：

 

● AD825x建立時間：對於10 V輸出電壓躍遷，AD8250的0.001%（16位）建立時間為615 ns。

● AD825x壓擺率：AD825x的壓擺率在20 V/µs到30 V/µs之間，具體取決於增益設置。AD8475的壓擺率為50 V/µs，因此係統受限於AD825x的壓擺率。

● 抗混疊濾波器(AAF)截止頻率：該濾波器由用戶定義，用於限製ADC輸入端的信號帶寬，防止混疊
，並提高信號鏈的信噪比（詳情參閱放大器和ADC的數據手冊）。

● ADC采樣速率：AD8475可以驅動最高4 MSPS的18位分辨率轉換器。

 

許多數據采集和過程控製係統需要測量壓力
、溫(wen)度(du)和(he)其(qi)它(ta)低(di)頻(pin)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)，因(yin)此(ci)前(qian)端(duan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)直(zhi)流(liu)精(jing)度(du)和(he)溫(wen)度(du)穩(wen)定(ding)性(xing)對(dui)於(yu)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)，這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)以(yi)輪(lun)詢(xun)方(fang)式(shi)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)連(lian)接(jie)到(dao)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)。通(tong)常(chang)而(er)言(yan)，輪(lun)詢(xun)頻(pin)率(lv)遠(yuan)大(da)於(yu)目(mu)標(biao)信(xin)號(hao)的(de)帶(dai)寬(kuan)。當(dang)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)從(cong)一(yi)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)切(qie)換(huan)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)時(shi)
，放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)經(jing)曆(li)的(de)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)是(shi)未(wei)知(zhi)的(de)，因(yin)此(ci)設(she)計(ji)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)最(zui)差(cha)情(qing)況(kuang)——滿量程電壓躍遷。放大器必須能夠在所分配的切換時間內從該滿量程躍遷完成建立
，該建立時間還必須短於ADC采集信號所需的建立時間。

 

在AD8475與ADC輸入端之間，建議使用一個抗混疊濾波器(AAF)
，以便對提供給ADC輸入端的信號和噪聲帶寬進行限製，防止不需要的混疊效應，並提高係統的信噪比。此外，AAF能夠吸收一些ADC輸入瞬變電流
，因此該濾波器也能在放大器與ADC的開關電容輸入端之間提供某種隔離。AAF通常利用簡單的RC網絡實現，如圖1中所示。濾波器帶寬通過下式計算：

 

 

許多情況下，該濾波器的R和C值根據經驗進行優化
，以便為ADC提供必需的帶寬、建立時間和驅動能力。如需具體建議，請參閱ADC數據手冊。

 

結束語

 

AD8475與AD825x係列PGIA相結合
，可實現一種簡單靈活、高性能、多功能的模擬前端。針對信號放大和衰減處理，該模擬前端可以提供多種可編程的增益組合
，從而優化不同的測量電壓範圍。AD825x的性能和可編程能力非常適合多路複用型測量係統，AD8475則(ze)能(neng)提(ti)供(gong)出(chu)色(se)的(de)接(jie)口(kou)來(lai)連(lian)接(jie)精(jing)密(mi)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。兩(liang)種(zhong)放(fang)大(da)器(qi)協(xie)調(tiao)工(gong)作(zuo)以(yi)保(bao)持(chi)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)的(de)完(wan)整(zheng)性(xing)，為(wei)工(gong)業(ye)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)高(gao)性(xing)能(neng)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)。

 

有關AD8475用作精密逐次逼近型ADC驅動器的更多信息，請參閱電路筆記CN-0180：用於工業級信號的精密
、低功耗、單電源、全集成差分ADC驅動器。

 

 

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