電路功能與優勢
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/369713.htm圖1所示電路是一種靈活的信號調理電路，用於處理寬動態範圍（從幾mV p-p到20 V p-p）的信號。該電路利用高解析度模數轉換器（ADC）的內部可編程增益放大器（PGA）來提供必要的調理和電平轉換並實現動態範圍。
在過程控制和工業自動化應用中，±10 V滿量程信號非常常見；然而，有些情況下，信號可能小到只有幾mV。用現代低壓ADC處理±10 V信號時，必須進行衰減和電平轉換。但是，對小信號而言，需要放大才能利用ADC的動態範圍。因此，在輸入信號的變化範圍較大時，需要使用帶可編程增益功能的電路。
此外，小信號可能具有較大的共模電壓擺幅；因此需要較高的共模抑制（CMR）性能。在某些源阻抗較大的應用中，模擬前端輸入電路也需要具有高阻抗。
圖1. 適合寬工業範圍信號調理的靈活模擬前端電路
圖1所示電路解決了所有這些難題，並提供了可編程增益、高CMR和高輸入阻抗。輸入信號經過4通道ADG1409 多路復用器進入 AD8226低成本、寬輸入範圍儀表放大器。AD8226低成本、寬輸入範圍儀表放大器。AD8226提供高達80dB的高共模抑制（CMR）和非常高的輸入阻抗（差模800ΩM和共模400ΩM）。寬輸入範圍和軌到軌輸出使得AD8226可以充分利用供電軌。
AD8475是一款全差分衰減放大器，集成精密增益電阻，可提供精密衰減（G=0.4或G=0.8）、共模電平轉換及單端差分轉換功能。AD8475是一種易於使用、完全集成的精密增益模塊，採用單電源供電時，最高可處理±10 V的信號電平。因此，AD8475適用於衰減來自AD8226且最高20Vp-p的信號，同時維持高CMR性能並提供差分輸出來驅動差分輸入ADC。
AD7192是一款內置PGA的24位Σ-Δ型ADC。片內低噪聲增益級（G = 1、8、16、32、64或128）意味著可直接向該ADC輸入小信號。
結合上述器件，對幅度會變化的信號而言，該電路可以提供非常好的性能且易於配置。該電路適合工業自動化、過程控制、儀器儀表和醫療設備應用。
電路描述
該電路包含一個ADG1409多路復用器、一個AD8226儀表放大器、一個AD8475差動放大器、一個AD7192Σ-Δ型ADC（使用ADR444基準電壓源）以及 ADP1720穩壓器。只需少量外部元件來提供保護、濾波和去耦，使得該電路具有高集成度，而且所需的電路板（印刷電路板［PCB］）面積較小。
穩壓器和基準電壓源的選擇
該電路選擇ADP1720-5作為5 V穩壓器。它是一款高壓、微功耗、低壓差線性穩壓器，適合工業應用。
該電路選擇4.096VADR444作為基準電壓源。它是一款超低噪聲、高精度、低壓差器件，特別適合高解析度、∑-△型ADC和精密數據採集系統。
輸入開關和保護
ADG1409 多路復用器擁有2位二進位地址線，可用於選擇四種可能的輸入通道之一。該設計還包括外部保護功能，如標準二極體和瞬態電壓抑制器，用以增強電路的魯棒性。這些在圖1中並未顯示，但是在CN0251設計支持包的詳細原理圖及其它文檔中有所展示。
ADG1409多路復用器配置為接收四路差分輸入信號：（VS1A−VS1B）、（VS2A−VS2B）、（VS3A−VS3B）和（VS4A−VS4B）。多路復用器的輸出（DA和DB）施加於 AD8226儀表放大器的輸入端。
AD8226輸入儀表放大器
外部RG電阻設置AD8226的增益。對於該電路，省略了RG，且儀表放大器級的增益為1。因此，AD8226的輸出為VSxA–VSxB，其中x為輸入通道編號。
AD8226的差分輸入由兩個4.02k電阻和一個10nF電容進行濾波，這些電阻和電容構成一個截止頻率為2.0kHz的單極點RC濾波器。兩個1nF電容增加了截止頻率為40kHz的共模濾波。
AD7192ADC PGA增益配置
AD7192配置為接收差分模擬輸入，以匹配來自AD8475的差分輸出信號。 AD7192的滿量程輸入範圍為±VREF/增益，其中±VREF=REFINx（+）-REFINx（-）。
AD7192中的緩衝器使能時，輸入通道會驅動緩衝放大器的高阻抗輸入級，此模式下的絕對輸入電壓範圍將限制在AGND+250mV至AVDD-250mV。增益級使能後，緩衝器輸出將施加於PGA的輸入端，模擬輸入範圍必須限制在±（AVDD-1.25V）/增益以內，因為PGA需要額外的裕量。因此，採用4.096V基準電壓源和5V電源時，為了最充分地利用ADC的動態範圍，可按表1所示對信號進行衰減或放大。
表1. AD8475和 AD7192內置PGA的各種輸入範圍增益配置
差分衰減放大器
為了驅動低壓ADC，±0V或±5V信號需要進行衰減和電平轉換。若將差動放大器配置與精密電阻配合使用，勢必會因電阻之間出現失配而導致CMR性能下降。AD8475電平轉換器/衰減器集成精密雷射調整匹配電阻，可確保低增益誤差、低增益漂移（最大33ppm/°C）和高CMR特性。
AD8475提供兩個引腳可選的增益選項，即0.4和0.8。VOCM引腳用於調整精密電平轉換的輸出共模電壓，以便匹配ADC的輸入範圍，並使動態範圍最大化。此引腳可保持懸空，並利用一個精密分壓器進行內部偏置，該分壓器由電源與地之間的兩個200M電阻組成，從而在該引腳上提供中間電源電壓。
由兩個100電阻和一個1F電容組成的一個單極點差分RC濾波器充當AD7192的抗混疊和降噪濾波器，其截止頻率為800Hz。兩個10nF電容提供截止頻率為160kHz的共模濾波。
濾波器、輸出數據速率和建立時間
AD7192Σ-Δ型ADC由調製器和數字濾波器組成。輸出數據速率（fADC）和建立時間（tSETTLE）與濾波器配置及斬波配置有關。表2顯示了不同配置情況下的輸出數據速率和建立時間計算情況。
表2. 不同配置的輸出數據速率和建立時間
布局考慮
該電路或其它任何高速/高解析度電路的性能都高度依賴於適當的PCB布局，包括但不限於電源旁路、信號路由以及適當的電源層和接地層。有關PCB布局的詳情，請參見指南 MT-031和MT-101以及「 高速印刷電路板布局實用指南」一文。
系統性能
24位AD7192 Σ-Δ 型ADC可在該電路中提供非常好的性能。有關Σ-Δ 型ADC的更多詳情， 請參見指南 MT-022 和 MT-023。
在配置設為斬波禁用、輸出數據速率為4.7 Hz、增益為1且採用一個SINC4濾波器的情況下，噪聲性能如圖2所示，500個樣本的噪聲分布直方圖則如圖3所示。該電路中測得的峰峰值噪聲約為 3.9 μV（見圖2），均方根噪聲為860 nV。這相當於峰峰值（無噪聲碼）解析度為20位，均方根解析度為23位。表3顯示了斬波禁用且採用一個SINC4濾波器時一些數據速率和增益設置條件下的AD7192均方根噪聲。
圖2. 噪聲輸出（VREF = 4.096 V， AVDD = 5 V， Output Data Rate = 4.7 Hz， a Rate = 4.7 Hz，
圖3. 噪聲直方圖（VREF = 4.096 V，AVDD =5 V，輸出數據速率 = 4.7Hz，增益 = 1，斬波禁用，SINC4濾波器）
表3. 斬波禁用且採用一個SINC4濾波器時不同輸出數據速率和增益設置條件下的AD7192系統均方根解析度（減去2.7位以獲取峰峰值或無噪聲碼解析度）
常見變化
可使用其它集成PGA的24位或較低解析度的Σ-Δ型ADC，例如AD7190、AD7193、AD7797和 AD7799。如果無需對輸入信號進行衰減， 則可使用功耗低於AD8475 的 AD8476。
在無需衰減和高輸入阻抗的應用中，可將AD7192 直接連接到傳感器，以避免模擬前端調理電路引入的噪聲。例如，滿量程輸出電壓較小的稱重傳感器無需衰減，因此可以直接連接到AD7192 差分輸入端（參見 CN-0102、 CN-0107、 CN-0108、 CN-0118、 CN-0119和 CN-0155）