集成PGIA、用于工业级信号的低功耗、多通道数据采集系统

　　电路功能与优势

　　图1所示电路是高性价比、低功耗、多通道数据采集系统，兼容标准工业级信号。元件针对两次采样之间的最佳建立时间而选择，能以高达约750 kHz的通道切换速率提供18位性能。

　　该电路可以处理八个增益独立的通道，兼容单端和差分输入信号。

　　模拟前端包括一个多路复用器、可编程增益仪表放大器(PGIA)、用于执行单端转差分任务的精密模数转换器(ADC)驱动器，以及一个用于采样有效通道信号的18位、1 MSPS PulSAR® ADC。提供0.4、0.8、1.6和3.2增益配置。

　　系统最大采样速率为1 MSPS。通道切换逻辑与ADC转换同步，最大通道切换速率为1 MHz。单通道采样速率高达1 MSPS，分辨率为18位。通道切换速率高达750 kHz时依然具有18位性能。系统还具有低功耗特性，在1 MSPS最大ADC吞吐速率下的功耗仅为240 mW。

　　图1.多通道数据采集简化电路(未显示所有连接和去耦)

　　电路描述

　　图1中的电路是个多通道数据采集信号链，由多路复用器、可编程增益级、ADC驱动器和全差分PulSAR ADC组成。

　　通道切换和增益切换与ADC的转换周期同步。系统可以使用单个ADC监控多达八个通道，相比每通道一个ADC的系统而言，减少了元件数量并降低了成本。每通道都可配置为不同增益，为输入范围提供了灵活性。各通道的有效采样速率等于ADC的采样速率除以采样总通道数。

　　系统的最大采样速率受限于模拟前端元件的建立时间。多路复用信号本质上是断续的，因此采样间隔之间可能具有较大的电压阶跃。ADC执行转换前，信号链上的元件必须有足够的时间建立至这些阶跃。为使信号建立时间最大化，多路复用器通道会在ADC开始新的转换之后立即切换。

　　元件选择

　　ADG1207是一款低电容、快速建立多路复用器，可将8个差分输入之一路由至公共差分输出。ADG1207输入端的切换网络能为单端和差分输入信号提供兼容性。有效通道通过器件地址引脚选择，由SDP-B控制器板控制。

　　AD8251是一款可编程增益仪表放大器，提供1、2、4和8可选增益设置。较高的增益设置使较小的输入信号升压至AD7982的满量程输入范围内。每一个增益设置都有自己的合适输入范围，如表1所示。

　　表1.四个增益

        配置的输入范围

　　AD8475漏斗放大器提供高精度衰减(0.4×)、精确的共模电平转换以及单端至差分转换。该器件具有低输出噪声频谱密度(10 nV/√Hz)和快速建立时间(建立至0.001%：50 ns，2 V输出阶跃)，非常适合用来驱动AD7982。

　　AD7982是一款全差分、1 MSPS、18位PulSAR ADC，使用4.096 V基准电压源时的典型SNR为96 dB。AD7982同样具有低功耗特性，最大吞吐速率时的功耗仅为大约7 mW。该器件的功耗随吞吐速率而变，可在较低采样速率下工作以降低功耗(例如，10 kSPS时功耗等于70 μW)。

　　系统直流精度误差

　　图2显示了数据采集系统的理想传递函数。

　　图2.ADC理想传递函数

　　数据采集信号链上的每一个元件都存在误差，导致系统的真实传递函数与图2有所不同。这些误差的累积效应可以通过对比ADG1207输入端的直流输入和AD7982的输出码而在系统级进行测量。该系统的目标误差是失调误差和增益误差。

　　失调误差测量

　　对于理想的双极性、差分ADC而言，0 V差分输入的输出码为0。真正的ADC通常会有一些失调误差(εb)，其定义为理想输出码与0 V输入的测量输出码之间的偏差。

　　数据采集系统的失调误差可以通过将其输入接地，然后观察输出码而找出。此误差在AD8251的各增益设置下均有所不同，并且ADG1207各通道之间也有所不同。因此，在全部四种增益配置下对各通道进行失调误差测量。

　　由于系统监控多个通道，对通道之间的失调误差进行量化也很重要。失调误差匹配(Δεb, MAX)用来衡量各通道的失调误差以及所有通道的平均失调误差之间的偏差。使用下式计算失调误差匹配：

　　其中，εb,i和εb,j分别表示i和j通道的失调误差。

　　每一种增益配置都存在失调误差匹配。注意，失调误差可以表示为码，也可以表示为电压(伏特)。

　　增益误差测量

　　系统增益误差也会使整个系统具有不精确性。AD7982的理想传递函数如图2所示，其中−217和217 − 1输出码分别对应负满量程输入电压(−FS)和正满量程输入电压(+FS);然而，失调误差(εb)和增益误差(εm)的组合却会导致此关系产生偏差。

　　增益误差可以表示为实际系统增益和理想系统增益之间的百分比误差。更为常见的表示方法是采用百分比满量程误差(%FS)，它衡量产生217 − 1码的理想和实际输入电压之间的误差。

　　理想满量程输入电压(VFS, IDEAL)与ADC分辨率(AD7982为18位)以及基准电压(VREF)的精度成函数关系。基准电压误差会导致ADC的增益误差。为了去耦基准电压误差与ADC增益误差，使用精密万用表测量VREF。然后便可利用下式计算理想满量程输入电压：

　　系统增益误差随AD8251增益而变，但各通道独立。因此，增益误差针对四个增益配置分别进行测量，但在系统中仅使用ADG1207的其中一个通道。

　　系统噪声分析

　　精密数据采集系统的关键设计目标之一是实现高信噪比(SNR)，这可以通过增加满量程信号幅度和/或降低系统中元件产生的噪声功率实现。

　　系统中的总噪声功率可以通过元件各自的噪声功率折合到AD7982输入端的和方根(rss)计算得出：

　　系统中各元件的预计噪声贡献以及整个系统的预计SNR性能如表2所示。在总系统噪声计算时，忽略系统中无源元件的热噪声贡献。