七个步骤教你如何进行信号转换

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● 描述传感器或增益模块前端的电气输出

● 计算ADC的需求

● 为信号转换找到最佳ADC + 基准电压

● 为运算放大器找到最大增益并定义搜索条件

● 找到最佳放大器并设计增益模块

● 根据设计目标检查解决方案总噪声

● 运行仿真并验证

典型信号调理链

01 描述传感器或增益模块前端的电气输出

信号可能直接来源于传感器,也可能在到达增益模块之前 经过EMI和RFI滤波器。为了设计增益模块,必须知道信号的交流和直流特性以及可用的电源。知道了信号的特性和噪声电平后,我们就能知道选择ADC时需要何种输入电压范围和噪声电平。

假设有一个传感器,以250 mV p-p (88.2 mV rms)和25 μV p-p噪声的满量程幅度输出一个10 kHz 信号。进一步假设系统中有一个可用的5 V电源。有了这些信息,我们应该能计算出第2步中的ADC输入端的信噪比。(为简化数据处理和避免混淆,假设我们将该解决方案设计为在室温下工作)

02 计算ADC的需求

我们需要何种ADC、采样速率如何、多少位、噪声指标如何?若从第一步知道了输入信号幅度以及噪声信息,我们就能计算出增益模块输入端的信噪比(SNR)。

我们需要选择一个有较高信噪比的ADC。在选择ADC时,知道SNR将有助于我们计算有效位数(ENOB)。好的ADC数据手册总会标出SNR和ENOB。此外,奈奎斯特准则要求采样率(fs)应至少两倍于最大输入频率(n)。

03 为信号转换找到最佳ADC + 基准电压

有了一系列的搜索条件,我们就有许多种方法找到合适的 ADC。要找到一个16位ADC,最简单的方法之一就是使用 厂商网站上的搜索工具。输入分辨率与采样速率,就可找到许多推荐的ADC。

如果您想得到更佳的噪声性能,可使用过采样迫使ENOB达到16位(由4n 过采样得到n位增强)。通过过采样,您可以使用较低分辨率的ADC:256过采样的12位ADC(44 过采样)可得到16位噪声性能。

04 为运算放大器找到最大增益并定义搜索条件

有了ADC的输入电压范围将有助于我们设计增益模块。为了最大化动态范围,我们需要在给定的输入信号和ADC输 入范围内选取尽可能高的增益。

运算放大器的输入端允许多大的噪声?牢记设计的总体解决方案的噪声密度,设计的增益模块应具有更低的本底噪声。这将确保来自放大器的噪声远低于传感器的本底噪声。计算噪声裕量时,可假设运算放大器输入端的噪声大致等于运算放大器的总噪声加上ADC的噪声。

05 找到最佳放大器并设计增益模块

知道了输入信号带宽后,运算放大器选型的第一步是选择 一个具有合理的增益带宽积(GBWP)的运算放大器,并且该放大器可以最小的直流和交流误差处理该信号。为得到 最佳的增益带宽积,需要知道信号带宽、噪声增益以及增 益误差。

一般而言,若想保持增益误差小于0.1%,推荐选用增益带宽比输入信号带宽大 100倍的放大器。另外,我们需要一个可快速建立且驱动能力良好的放大器。注意,我们的噪声预算要求运算放大器输入端的总噪声。

所有有源和无源元件都各自产生噪声,因此选择不降低性能的元件尤其重要。例如,购买一个低噪声运算放大器并在其周围放置大电阻就是一种浪费。

06 根据设计目标检查解决方案总噪声

充分了解所设计电路中的各种误差源是极其重要的。为了获得最佳SNR,我们需要算出运算放大器输入端的总噪声。

保持良好的信噪比需要关注信号路径中每一处细节的噪 声,并有良好的PCB布局。避免在任何ADC下方布设数字 线路,否则会将噪声耦合至芯片管芯,除非在ADC下方铺 一个接地层用作屏蔽。诸如CNV或时钟之类的快速开关信 号不应靠近模拟信号路径。应避免数字信号与模拟信号交叠。

07 运行仿真并验证

刚开始验证电路设计时,使用PSpice宏模型比较合适,快速仿真显示出我们为解决方案所设计的信号带宽。

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