提升ADC分辨率的电路设计

本文摘要：许多数据采集系统都拒绝高精度和较慢收集数据，以便容许该系统需要检测小信号并且能将更加多的传感器地下通道挤满在同一系统。传感器地下通道就越多，系统的外形就需要就越小，成本和功耗也就越较低。 远程光通信和医用设备（例如，CT扫描仪）即归功于较慢和高精度的数据采集系统。在光功率系统（例如，激光泵）中，必须大大监控其功率水平。在这种数据采集系统中，对于必须90dB动态范围的输出激光功率，其激光掌控环路响应时间拒绝具备1MSPS的比特率。

许多数据采集系统都拒绝高精度和较慢收集数据，以便容许该系统需要检测小信号并且能将更加多的传感器地下通道挤满在同一系统。传感器地下通道就越多，系统的外形就需要就越小，成本和功耗也就越较低。

远程光通信和医用设备（例如，CT扫描仪）即归功于较慢和高精度的数据采集系统。在光功率系统（例如，激光泵）中，必须大大监控其功率水平。在这种数据采集系统中，对于必须90dB动态范围的输出激光功率，其激光掌控环路响应时间拒绝具备1MSPS的比特率。

在CT扫描仪中，数据采集系统必需具备16b到22b的分辨率，以便处置通过各种人体的组织的长动态范围的X射线信号。该系统必须大量的光检测器（较多的数据采集地下通道）和高精度数据采集以提升图像分辨率。　　以上两个例子说明了系统拒绝的是比较精度，而非意味著精度。

尽管需要检测出有10nW的功率变化相对于1W的输出光功率很最重要，但某种程度的10nW变化作为1.00001mW与1mW之劣的绝对值则变得无足轻重。然而密切相关模数转换器（ADC）精度的技术指标--分数线性误差（INL）是一种绝对误差。为了获得最佳比较精度，本文明确提出一种创意的解决方案是在仪器ADC前端用于可编程增益放大器（PGA）。

AD7677ADC的满量程线性误差为15ppm（在16bit分辨率条件下有1LSB）。在此ADC前端的PGA超过稳定状态的创建时间必需充足慢，以便与具备完全相同分辨率ADC的切换速度相匹配。

另外，该PGA还必需具备尽量较低的噪声，因为它要求数据采集系统的信噪比（SNR）。为了解决问题这些问题，本设计中的放大器使用AD8021运算放大器，它具备符合设计拒绝的速度、精度和较慢创建时间，并且其电压噪声序密度仅有为2nV/Hz。图1示出该PGA增益设置与其ADC精度的对应关系。当输出信号幅度很低时能使该系统超过19b精度。

　　　　图1在16位ADC前端用于一个PGA能将其精度提升到19位　　ADC的比较精度一般来说是所指在满度范围被校准的情况下，给定数字量所对应的模拟量实际值与理论值之间的偏差最大值，用比较满度范围百万分比（ppm）回应（也能用百分比，或LSB回应），再行以此类推（）其系统测量过程引发的大于绝对误差所对应的ppm。图2右图的电路设计能超过107ppm1.9ppm的比较精度。仿真多路复用器IC4所含多个比特率较小的地下通道以便利用ADC的1MSPS比特率。

因为PGA对多路复用器展现出为低输入阻抗，所以可级联多个多路复用器，从而减少地下通道数。多路复用器还具备一个校准输出端口，从而利用一个校准基准电压就可以简单地校准每次增益设置引发的失调电压和增益误差。校准仅有必须在加电或工作条件（例如，温度）发生变化时展开。缩放链路由多路复用器、较为器、前置放大器和ADC构成。

AD7677具备大幅度迫近型结构，它容许缩放链路中的分开部分同时工作。当ADC对一个地下通道展开取样时，其较为器和放大器可以使随后的地下通道超过平稳。

因此，该数据采集系统能以ADC的仅次于取样速率工作。　　　　图2通过PGA与16位ADC融合使系统获取19位精度　　在仿真多路复用器超过平稳之后，较慢较为器IC1马上已完成必要的增益设置。较为器的阈值电压使信号被IC6和IC7缩放后会饱和状态或金字位。

AD8561较为器的响应时间为7ns，它获取一个瞄准信号，需要在放大器超过平稳期间和ADC捕捉信号期间维持增益恒定。一般来说的PGA配备拒绝用户在输出末端产生信号之前预先设置放大器的增益。图2中的PGA具备自动设置增益范围的特点，它需要自由选择最必要的PGA增益以取得最低精度而不引发信号饱和状态或金字位。

较为器包括迟缓电路，以便在信号相似某一个明确增益范围容许时增加设置的增益变化。该电路能自动将ADC的精度提升到19位，同时又能维持其1MSPS的加速取样速率。　　IC6用于1或8的增益设置对多路复用器的输入信号展开缩放，如果必须获取仅次于可超过25的有所不同增益，可以转变对系统网络电阻。仿真电源IC3掌控增益的设置。

运算放大器AD8021的高增益比特率乘积能获取充足的比特率，因而其补偿电容对所有的增益维持完全相同。放大器IC7为ADC产生差分输出信号。

较为器和放大器的创建时间以及ADC的捕捉时间都近大于ADC的1s的切换时间。ADC两个输出端的RC噪声滤波器R1/C1和R2/C2，它们闲置额外时间。

这些滤波器容许PGA的噪声比特率。当IC7的增益为-1时，PGA是数据采集系统主要的噪声源。

　　图3示出该电路设计的线性误差。在这种最低增益设置条件下超过如此较低的线性误差（图中示出最大值为0.44LSB，最小值为-0.37LSB）并非易事。这相等于0.9ppm的典型误差。

当增益为8时，输入噪声为85Vrms。如果必须，可以利用软件平均值更进一步增加噪声。图4示出用于AD7677评估板包含的原始数据采集系统，印制电路板面积为1530mm。

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