驱动高精度模数转换器的方法

当今的数据采集系统不仅是工业应用的核心组件，通常还用于实现基于传感器的温度、流量、液位、压力和其他物理量测量，随后将测量数据转换为高分辨率数字信息，再传输至软件进一步处理，这些系统对精度的要求越来越高。

为此，开发人员必须综合考量会对系统产生不利影响的特性（例如信号噪声和漂移），以及提高转换速率和传输速率等要求。将不同的传感器类型和相应的不同模拟信号输出直接连接通常需要高输入阻抗。此外，输入还应该能够缓冲、放大和调整输入信号的电平，或者能够生成差分信号，覆盖模数转换器(ADC)的整个电压范围，同时满足其共模电压要求。

但是，原始测量信号应尽可能保持不失真。所以，输入级是确定数据采集系统整体精度的决定性因素之一。通常使用可编程增益仪表放大器(PGIA)可实现这一目标，即通过外部电阻调节增益，然后将输出直接耦合至下游ADC的输入。PGIA通常配备单端输出，因此不能直接用于驱动全差分逐次逼近寄存器(SAR) ADC。因此，需要采用额外的信号调理或驱动级。但是，额外的驱动级会影响整个数据采集系统的性能，因为该驱动级可能带来一些会引发额外误差的组件。通过选择合适的组件，可以确保实现出色性能，具体电路如图1所示。

图1. 精密数据采集系统的简化框图。

图1所示为数据采集系统的简化电路，包含基准电压源和带集成电源的基准电压缓冲器，以及PGIA和AD4020SAR ADC。PGIA的差分输出采用可实现数字可编程增益的分立式标准组件。其输入阻抗在GΩ范围内，共模抑制比超过92 dB，具有低输出噪声和低失真特性，因此非常适合用于直接控制SAR ADC，且不会影响性能。PGIA驱动AD4020，这是一款高精度20位1.8 MSPS的低功率SARADC。AD4020提供一系列其他功能，可用于降低整个信号链的复杂度，增加通道密度，同时不影响性能。其他功能包括用于减少非线性输入电流的高阻抗模式，以及用于将PGIA直接连接至其间的简单RC滤波器的长检测相位。AD4020提供高采样率，可精确采集高达数百千赫兹的高频信号。它还支持抽取功能，可扩大动态范围，从而实现对低压信号的精密检测。此外，还可减少对抗混叠滤波器的需求。

SPI接口兼容不同的逻辑电平（1.8 V、2.5 V、3 V和5 V），可以通过多种方式进行编程，同时提供读写功能。

图1中的电路采用所示组件，可获得出色的线性度（INL，典型值为±2 ppm）、低偏置和增益漂移（分别为±3.5 ppm/°C和±6 ppm/°C），以及出色的噪声功率（超过–115 dB），所有这些特性均支持最高转换率和整个增益范围。此电路支持双极和单极单端或全差分输入信号（高达±10 V），增益为1至10。输入电压范围与增益呈函数关系，参见表1。

表1. 输入电压范围与增益的函数关系

图示电路也提供校准选项，以适用于更大的PGIA范围。此功能提供精准的比率性能，通过提供信号缓冲、放大和衰减、共模电平漂移选项，以及各种应对模拟信号处理挑战的其他功能来简化系统设计。通过高阻抗输入和可编程增益设计，可以连接提供单极、双极、差分和单端输出的各种传感器。此外，也可以满足漂移、偏置、线性度、SNR和共模抑制等要求。通过这种方式，可以轻松实现适用于极高精度要求应用的高精度数据采集系统。