只需一个电路即可满足系统解析度和12位精度要求

一般而言,手持式仪表、数据记录器、车载和监控系统都要求一种低成本高精度、高系统解析度的多路复合系统。可以将这些要求都集成到一个电路中吗?能够处理这些多样性需求的系统,要求一个多路复用器、增益单元和一个模数转换器 (adc)。
解决这个问题的一种可行方案是一个10通道、可编程放大器(pga),它与一个中速12位sar adc(请参见图1)配合工作。该单电源、10通道pga具有一个轨至轨的输入/输出,增益调节范围为1v/v到200v/v。pga的12 nv√hz @ 10 khz低噪声性能适合于12位系统。这两个器件之间的模拟接口包括一个缓冲结构的运算放大器(opa) 以及一个r/c电路。12位adc是一个带固有采样和保持的电容型sar adc。该转换器要求r/c电路,其可简化adc输入结构的充电动作。
图.1 这种系统使用一个多路复用pga和驱动12位转换器的运算放大器
计算得到的pga噪声值(参考输出(rto))等于10 khz下pga噪声密度(12 nv/√hz) 乘以pga闭环带宽的平方根乘以√(p/2)。√(p/2)的倍数说明了pga带宽以外频率区域的噪声。之后,所得值再乘以pga的增益。方程式1使用了16 v/v的pga增益:
pgarms-noise = 12 nv/√hz * √ (1.6 mhz * √/2) * 16 v/v = 0.304 mv (rms) 方程式1
转换器产生的adc噪声为431 mv(rms),大大低于该5伏系统的1lsb或1.22 mv。缓冲放大器的噪声为39 mv (rms),带给系统的噪声极少甚至为零。
pga、opa和adc的组合噪声为529 mv(rms),仍然低于12位转换器的1lsb。该值使用一个方和根方程式(即方程式 2) 计算得出:
noise (rto) = √ (pgarms-noise2 + oparms-noise2 + adcrms-noise2) 方程式2
pga为16 v/v增益时该系统的等效12位精度(equiv12-bit)为0.432lsbs(请参见方程式3)。
equiv12-bit = (noiserto * 2n)/fsr, {where n = 12 and fsr = 5 v/v} 方程式3
如果我们在1-200 v/v的pga增益范围来观察该系统,我们便会发现 pga 噪声为电路的主要噪声。一旦 pga增益超出~125 v/v,该系统便不再符合12位精度标准。然而,这种情况能够通过缩小系统参考输入 lsb 的电压大小来改善(请参见图2)。获得更小lsb 的折中方法是降低系统的有效转换位数 (enob)。
图.2 系统精度高于0.01%,且pga增益为1–125 v/v。
pga增益为125~200 v/v时,系统精度高于0.02%。
图.1 所示系统可在要求12位精度时提供足够的pga增益范围,也可在要求高系统解析度时提供同样足够的增益范围。(作者:bonnie c. baker,德州仪器 (ti) 高级应用工程师)
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