資料採集系統和可程式設計邏輯控制器(PLC)需要多功能的高效能模擬前端，以便與各種感測器進行介面，來精確、可靠地測量訊號。根據感測器具體型別和待測電壓/電流幅度的不同，訊號可能需要放大或衰減，從而匹配模數轉換器(ADC)的滿量程輸入範圍，以供進一步的數字處理和反饋控制。資料採集系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，使用者間接的更改系統增益，使模數轉換器(ADC)輸入端的取樣電壓幅度最大，進而最大程度地提高信噪比(SNR)和測量精度。在典型的資料採集系統中，需要衰減的訊號與需要放大的訊號分別通過不同的訊號路徑進行處理，這通常導致系統設計更為複雜，需要額外的器件，並且佔用更多的電路板空間。在同一訊號路徑中實現衰減和放大的解決方案一般使用可程式設計增益放大器和可變增益放大器，但這些放大器往往不能提供許多工業和儀器儀表應用所需的高直流精度和溫度穩定性。有一種方法可以構建一個強大的模擬前端，以便在單一訊號路徑中實現衰減和放大，並且提供差分輸出來驅動高效能模數轉換器，如圖1所示，將一個可程式設計增益儀表放大器(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，與一個全差分漏斗（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。上述可程式設計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)，非常適合與各種感測器介面。當增益為10時，AD8250的保證特性包括：3 MHz頻寬、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共模抑制比（DC至50 kHz）。精密直流效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資料採集應用。AD8475是一款高速、整合精密電阻的全差分漏斗放大器，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、完全整合的精密增益模組採用+5 V單電源供電時，可以處理最高±10 V的訊號電平。因此，它能使工業電平訊號與低壓、高效能、取樣速率高達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，構成一個靈活的高效能模擬前端。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差分輸出漏斗放大器的資料採集模擬前端表1. AD8475與AD8250、AD8251或AD8253組合可以實現的輸入電壓範圍和增益資料採集儀器測量範圍(V)峰峰值電壓(V)每路輸入的最大電壓(V)整體系統增益AD825x增益AD8475增益ADC輸入端的峰峰值電壓AD825x輸入電壓限值（保護ADC）±10204.0960.410.4810.24AD8250增益±5104.0960.820.485.12±244.096250.482.048±124.0964100.481.024±5104.0960.810.885.12±2.554.0961.620.882.56±124.096450.881.024±0.514.0968100.880.512±10204.0960.410.4810.24AD8251增益±5104.0960.820.485.12±2.554.0961.640.482.56±124.0963.280.46.41.28±5104.0960.810.885.12±2.554.0961.620.882.56±124.0963.240.86.41.28±0.514.0966.480.86.40.64±10204.0960.410.4810.24AD8253增益±124.0964100.481.024±0.10.24.096401000.480.1024±0.010.024.09640010000.480.01024±5104.0960.810.885.12±0.514.0968100.880.512±0.050.14.096801000.880.0512±0.0050.014.09680010000.880.00512能力：輸入電壓範圍和頻寬採用±15 V電源供電時，AD825x系列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制由ADC輸入的滿量程電壓範圍和從感測器到ADC的訊號路徑增益設定。例如，18位2 MSPS PulSAR ADC AD7986採用2.5 V單電源供電，典型基準電壓為4.096 V，其差分輸入支援最高±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定為0.4，即AD825x的增益為1，AD8475的增益為0.4，則系統可以處理的輸入訊號最大幅度為±10.24 V。為了確定系統所需的增益設定組合，應考慮ADC (VFS)的滿量程輸入電壓以及感測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頻寬極為出色。該電路的速度和頻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，具體取決於增益設定。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：該濾波器由使用者定義，用於限制ADC輸入端的訊號頻寬，防止混疊，並提高訊號鏈的信噪比（詳情參閱放大器和ADC的資料手冊）。ADC取樣速率：AD8475可以驅動最高4 MSPS的18位解析度轉換器。許多資料採集和過程控制系統需要測量壓力、溫度和其它低頻輸入訊號，因此前端放大器的直流精度和溫度穩定性對於系統性能至關重要。許多應用使用多個感測器，這些感測器以輪詢方式多路複用連線到放大器輸入端。通常而言，輪詢頻率遠大於目標訊號的頻寬。當多路複用器從一個感測器切換到另一個感測器時，放大器輸入端經歷的電壓變化是未知的，因此設計必須考慮最差情況——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採集訊號所需的建立時間。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輸入端的訊號和噪聲頻寬進行限制，防止不需要的混疊效應，並提高系統的信噪比。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網路實現，如圖1中所示。濾波器頻寬通過下式計算：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提供必需的頻寬、建立時間和驅動能力。如需具體建議，請參閱ADC資料手冊。
結束語
AD8475與AD825x系列PGIA相結合，可實現一種簡單靈活、高效能、多功能的模擬前端。針對訊號放大和衰減處理，該模擬前端可以提供多種可程式設計的增益組合，從而優化不同的測量電壓範圍。AD825x的效能和可程式設計能力非常適合多路複用型測量系統，AD8475則能提供出色的介面來連線精密模數轉換器。兩種放大器協調工作以保持感測器訊號的完整性，為工業測量系統提供一個高效能模擬前端。有關AD8475用作精密逐次逼近型ADC驅動器的更多資訊，請參閱電路筆記CN-0180：用於工業級訊號的精密、低功耗、單電源、全整合差分ADC驅動器。作者簡介
Reem Malik [[email protected]]是馬薩諸塞州威明頓市整合放大器產品（IAP）部門的一名應用工程師。她為儀器儀表、工業及醫療領域的顧客提供支援，並負責熱電偶放大器和精密差動/差分放大器產品。Reem擁有伍斯特理工學院電氣工程學士學位(BSEE)和電氣工程碩士學位(MSEE)。她於2008年6月加入ADI公司。
Sandro Herrera [[email protected]]是馬薩諸塞州威明頓市整合放大器產品（IAP）部門的一名電路設計工程師。他目前主要從事固定、可變或可程式設計增益的全差分放大器設計工作。Sandro擁有麻省理工學院電氣工程學士學位(BSEE)和電氣工程碩士學位(MSEE)。他於2005年8月加入ADI公司。

 

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