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運用DAQ簡化數據採集系統設計

上網時間: 2007年09月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:儀表放大器  AD8250  PGIA 

數據採集系統通常與具有在1mV~±10V之間變化之滿量程輸出訊號的各種感測器連接。這些感測器也具有多種輸出阻抗,因此,數據採集前端必須提供高輸入阻抗以避免負載誤差。儀表放大器通常用於調節來自感測器的差分訊號。然而,由於訊號大小變化較大,因此需要許多不同的增益。

本文將以ADI公司的AD8250數位可編程增益儀表放大器(PGIA)為例,探討如何解決數據採集系統設計工程師所面臨的四大難題,大幅提升ADC性能、提供對類比訊號調節的數位控制;此外,該元件也減小了所佔PCB面積,並能降低成本。

AD8250(G=1、2、5或10)採用最新製程和新的電路技術,提高了數據採集和過程控制應用的性能。其軟體增益控制允許設計工程師簡單地設置其精密類比前端。AD8250透過整合匹配電阻、開關以及運算放大器,減少了元件數量。這款產品具有快速設立時間、低失真以及低噪音,使其成為驅動類比數位轉換器(ADC)的理想放大器,無需額外的緩衝記憶體,進一步減少了所需元件數量。

解決四大設計難題

第一個難題是在不降低ADC性能的情況下提供訊號調節。目前最新的ADC具有非常高的訊息噪音比(SNR),如16位元ADC通常可提供90dB的SNR。前端應提供共模抑制和增益。此外,其輸出必須在ADC的採集時間內設立。

第二個難題是設計增益可編程類比訊號調節電路。數據採集系統具有多種軟體控制功能。最方便的產品應具有數位控制類比前端。目前,設計工程師必須設計他們自己的解決方案,因為現有的混合訊號解決方案並不能提供令人滿意的類比性能。AD8250採用ADI公司的iCMOS技術,透過在強韌的高壓數位邏輯電路中整合精密線性元件解決該難題。AD8250允許設計工程師使用軟體設置增益。另外,不使用FPGA或微控制器設置增益的設計工程師也可以選擇將增益接腳連接到電源電壓上,電源電壓最高達+15V。其增益設置介面允許PGIA用於不同的電路拓樸。

設計工程師面臨的第三個難題是將電路固定在更小的PCB內。AD8250採用10接腳MSOP封裝,這種封裝面積大約是8接腳SOIC封裝的1/2,並比現有解決方案減小了90%以上。更小的封裝面積意味著可以在PCB上放置更多的元件,允許設計工程師為其產品增加額外的數據通道。

第四個難題是降低成本。雖然數據採集系統設計工程師的主要目標是提高系統性能,但降低總成本也不容忽視。這些成本包括花費在產品研發上的時間和金錢到維持最終產品中的零組件總數。數據採集設計工程師透過設計可以共享同一平台的數據採集系統以重複利用能夠工作的系統元件,降低元件成本。透過重複利用已有模組,設計工程師可節省開發時間和成本。

ADI同時開發出了AD8251(增益為1、2、4或8)和AD8253(增益為1、10、100或1000)兩種同系列產品,有助於解決上述難題。所有這三款產品接腳均相容。設計工程師可將AD8250用於需要低增益的產品,而將AD8253用於需要更高增益的應用。它們可大幅減少元件成本及數量。

圖1:AD825X DAQ展示板的簡化原理圖。
圖1:AD825X DAQ展示板的簡化原理圖。

圖2:AD825X DAQ展示板對1kHz訊號的快速傅立葉轉換結果。
圖2:AD825X DAQ展示板對1kHz訊號的快速傅立葉轉換結果。

三項主要技術

AD8250採用了三項主要技術。第一項技術是能達到-110dB總諧波失真(THD)的失真消除電路。不同於為達到同樣等級THD但消耗10mA以上電流的放大器,該元件僅消耗4mA電源電流即可達到該指標。其功率節省特性非常有用,特別適合在小面積中整合許多元件,但卻沒有風扇冷卻的超小型PCMCIA數據採集產品。除了低失真外,AD8250能在615ns內達到16位元解析度。其20V/μs的轉換率適合於使用多工器-切換通道的應用。透過使用平行埠,AD8250可在小於375ns內切換增益。

第二項技術是開關型、內部匹配並經雷射調整的電阻。過去,設計工程師透過使用外部精密電阻和開關,設計自己的可設置增益放大器。匹配電阻非常昂貴,每陣列須花費15美元以上,但匹配電阻是維持高共模抑制(CMR)和低增益漂移所必須的。用於選擇不同增益設置電阻的開關會隨著溫度的升高而增加誤差。此外,開關會產生降低隨頻率變化的CMR寄生電容。相較之下,AD8250整合了經雷射調整的內部電阻和可減少開關寄生電容影響的電路拓樸,能在50kHz內達到90dB的CMR(G=10)。該技術解決了設計PGIA的難題並提高了性能。第三項技術改進是更易於使用。例如,保持頻寬在大部份增益(G=1、2或5)內?定不變。雖然AD8250是一款電壓反饋儀表放大器,但其為每種增益使用了傳統的內部補償電容。因此,設計工程師希望為幾種增益維持10MHz的頻寬。

圖1為AD825x DAQ展示板中AD8250的電氣原理圖。這是一個僅使用少量IC的高性能數據採集訊號鏈設計實例。ADG1209用於為AD8250增加四個差分通道。ADG1209具有低輸入電容,使其適合快速多工技術。AD8250可直接驅動AD7612,這是一款750kSPS採樣率的16位元ADC。AD7612具有可採樣±10V訊號的開關電容輸入。相反,若使用+5V ADC,由於許多訊號是±10V,則需要降壓。ADR435可為AD7612提供參考電壓。1nF的電容與49.9Ω的電阻器為AD7612構成反鋸齒濾波器。49.9Ω的串列電阻器可以減少來自放大器1nF負載的負擔,並將其與來自AD7612開關電容輸入影響不好的電流注入隔離。FPGA可控制ADC、PGIA和MUX。請注意,所有這三種混合訊號元件都採用iCMOS製程。圖2為該展示板調節1kHz訊號的軟體快速傅立葉轉換(FFT)結果。總諧波失真是-111dB,訊息噪音比91dB。圖3為AD825X DAQ展示板的圖片。

進一步提高整合度、減少尺寸並實現智慧化的市場趨勢,造就了對AD8250這類元件的需求。iCMOS等製程的發展、失真消除電路等改良,以及對放大器應該簡化使用的認知,都共同推動了這種可編程增益儀表放大器的發展。

圖3:AD825X DAQ展示板照片。
圖3:AD825X DAQ展示板照片。

作者:Stephen Lee

儀表放大器和乘法器應用工程師

:Stephen-P.Lee@analog.com

ADI公司





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