设计高精度的工业检测系统前端

工业和过程控制应用需采集大量精确的温度、压力和应变数据，用于上游决策。设计人员面临的挑战在于这些应用需要使用多个高精度通道，才能在频域中保持高精度。

本文讨论了准确的高性能工业检测和信号转换前端的关键组件及参数要求。由于噪声是影响精度的决定性因素，因而最终合适的解决方案将解决噪声问题。

系统概览

高精度 18 位工业检测前端系统应包含高性价比的隔离式多通道数据采集 (DAQ) 结构，以管理工业信号电平。从输入端到输出端，本文要介绍的多通道高精度电路始端为 8 输入多路复用器，输入通道可配置为单端或差分输入（图 1）。多路复用器的这些输入端可接收各种用于过程控制的传感器输入，如来自温度、压力和光学传感器的输入。

图 1：8 输入多通道高精度电路可用于多种传感器输入，其始端为输入多路复用器，输入通道可配置为单端或差分输入。（图片来源：Bonnie Baker）

图 1 中，输入多路复用器后接入可编程增益仪表放大器 (PGIA)，标记为 "PGA"，具有类似的输入和输出电压摆幅能力。多路复用器和 PGIA 级均能够控制高达 ±10 伏的高电压输入。

PGIA 的共模电压和宽输出电压摆幅与 18 位模数转换器 (ADC) 的单电源输入范围不一致。为了满足 ADC 的信号电压范围，系统需接入漏斗放大器。漏斗放大器执行三个功能：信号电平转换、单端到差分的转换以及衰减，以满足单电源 18 位 ADC 的输入要求。

18 位 ADC 之后接入数字隔离器以提供电气隔离。这种隔离方式允许两侧具有不同的共模电压，却不会干扰信号保真度。

电路细节

如上所述，隔离式多通道 DAQ 系统包含多路复用器、PGIA 级、ADC 放大器驱动器和精密型全差分逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。系统使用一个 ADC 监控 8 个通道。然而，ADC 驱动器和 ADC 是主要的噪声制造源（图 2）。

图 2：上图为带 18 位 ADC 的隔离式多通道 DAQ 系统原理图。ADC 和 ADC 驱动器是主要的噪声制造者。（图片来源：Analog Devices）

噪声级这一规格决定了适合该应用电路的元器件类型。

选择正确的元器件

图 2 中，输入多路复用器采用了 Analog Devices 的 ADG5207BCPZ-RL7，这款高压防闩锁 8 通道差分多路复用器，具有 3.5 皮法 (pF) 的超低电容和 0.35 皮库仑 (pC) 的电荷注入。这种低电荷注入使这类开关非常适合于要求低毛刺率和快速建立时间的采样和保持 DAQ 电路。ADG5207 可配置为接收单端和差分输入信号。电路中显示的复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 通过使用 ADG5207 的地址引脚，选择相应的有效通道。

PGIA 采用了 Analog Devices 的 AD8251ARMZ-R7。该器件提供的可选增益包括 1、2、4 和 8。这之后接入 Analog Devices 的 AD8475ACPZ-R7 可选增益全差分漏斗放大器，为接地共模电压提供 2.048 伏的电平位移，增益设置为 0.4 和 0.8。AD8475 具有低输出噪声频谱密度，即 10 纳伏每平方根赫兹 (nV/√Hz)。PGIA 和漏斗放大器的增益相结合，为 Analog Devices 的 AD4003BCPZ-RL7 18 位 SAR ADC 提供了适当的满量程输入信号（表 1）。

表 1：对应于 AD8251 PGIA 四种增益配置的输入和输出电压范围。PGIA 和 AD8475 漏斗放大器的增益相结合，为 AD4003BCPZ-RL7 18 位 SAR ADC 提供了适当的满量程输入信号。（表格来源：Bonnie Baker）

AD4003BCPZ-RL7 是具有 2 兆采样/秒 (MSPS) 的 18 位精密型全差分 SAR ADC，输出 4.096 伏基准电压时，典型信噪比 (SNR) 为 98 分贝 (dB)。

系统噪声分析

由于噪声对精度的影响较大，因此在设计较高速的精密 DAQ 时，必须认真考虑噪声。频域中的噪声现象会影响 ADC 数字输出的 AC 和 DC 精度。噪声是随机事件：有噪声的电路可能在某次转换时提供完全正确的结果，而在下次转换时却产生极不准确的结果。设计人员面临的挑战在于确定电路中所有器件可接受的噪声水平。

系统总均方根 (rms) 噪声等于电路中所有参考 AD4003 ADC 输入的器件平方和根，可使用公式 1 进行计算：

 公式 1

其中：

V_nADG5207 = ADG5207 多路复用器均方根噪声水平

V_nAD8251 = AD8251 PGIA 均方根噪声水平

V_nAD8475 = AD8475 漏斗放大器均方根噪声水平

V_nAD4003 = AD4003 18 位 ADC 均方根噪声水平

计算系统均方根 SNR 需用到 AD4003 的满量程输入范围即 V_REF，可使用公式 2 进行计算：

 公式 2

AD4003 ADC 噪声：AD4003 ADC 噪声是转换器量化误差和内部热噪声的函数。根据公式 3，计算 AD4003 均方根输入电压噪声需用到满量程输入电压 (V_REF) 和工作 SNR：

 公式 3

根据规格书，在 V_REF 等于 4.096 V 的情况下，AD4003 的 SNR 规格约为 98 dB。

AD8475 漏斗放大器噪声： AD8475 均方根输出噪声是放大器在 1 千赫兹 (kHz) 下的频谱噪声密度 (_AD8475) 和放大器电路带宽限制的组合。增益为 0.4 V/V 时，AD8475 带宽等于 150 兆赫兹 (MHz)。其后接入的电阻-电容 (RC) 滤波器的 3 dB 转折频率为 6.63 MHz。根据公式 4，AD8475 和输出 RC 滤波器的组合可产生 6.63 MHz 的带宽限制：

 公式 4

其中：

_AD8475 = 10 nV/√Hz.

R = 200 欧姆 (Ω)

C = 120 pF

BW_RC = 1 / (2xp x R x C) ~ 6.63 MHz

AD8251 PGIA 噪声： AD8251 的均方根噪声水平是 1 kHz 时 AD8251 参考输入点噪声 (_AD8251)（单位为 nV /√Hz）、AD8251 增益设置 (G_AD8251)、AD8475 增益 (G_AD8475) 和 AD4003 的输入端噪声滤波器带宽 (BW_RC) 的函数。可使用公式 5 进行计算：

 公式 5

增益为 1 V/V 时，_AD8251 的值等于 40 nV/√Hz；增益为 8 V/V 时，其值等于 18 nV /√Hz。

ADG5207 多路复用器噪声： 根据约翰逊-奈奎斯特噪声 (Johnson-Nyquist noise) 方程可计算多路复用器的噪声频谱密度并由此得出均方根噪声，即公式 6：

 公式 6

其中：

k_B = 玻尔兹曼常数 = 1.38 x 10^-23

T = 温度（单位为开尔文）

R_ON = 多路复用器“导通”电阻（根据 ADG5207 规格书）

由于多路复用器的作用相当于串联电阻，因而可以使用该公式（公式 6）。

多路复用器的频谱密度值 (ϵ_nADG5207) 代入公式 7 可得出 ADG5207 的均方根噪声水平：

 公式 7

噪声分析总结

计算求得每个元器件的总噪声水平如图 2 所示，由此得出累积增益为 3.2 时，SNR 为 84.7 dB。最主要的噪声制造者是 AD8251 PGIA 和 AD4003 ADC（表 2）。

表 2：累积增益为 3.2 时，计算求得多通道 DAQ 系统的 SNR 为 84.7 dB。（数据来源：Analog Devices）

电路评估与测试

设计人员可以使用 EVAL-CN0385-FMCZ 电路评估套件来评估和测试该电路，其中包含图 2 所示电路（图 3）。

图 3：EVAL-CN0385-FMCZ 评估板可用于测试本文介绍的 DAQ 前端设计。（图片来源：Analog Devices）

CN-0385 设计支持包包含了完整的电路原理图和布局支持材料。评估套件还包含 EVAL-SDP-CH1Z 控制器板，以便捕获数据（图 4）。

图 4：测试设置功能性布局以评估 DAQ 前端。（图片来源：Analog Devices）

EVAL-CN0385-FMCZ 板的性能结果表明，其值与噪声计算结果相当吻合（表 3）。

表 3：在满量程正弦波输入为 10 kHz，且累积增益为 0.4、0.8、1.6 和 3.2 时，EVAL-CN0385-FMCZ 板的 SNR、噪声和总谐波失真 (THD) 性能。（数据来源：Analog Devices）

Audio Precision SYS-2700 生成的信号为差分输入模式。10 kHz 输入信号快速傅立叶变换 (FFT) 如图所示（图 5、6、7 和 8）。

图 5：单个静态通道的增益为 0.4 时，10 kHz、20 伏峰-峰输入的 FFT。（图片来源：Analog Devices）

图 6： 单个静态通道的增益为 0.8 时，10 kHz、10 V 峰-峰输入的 FFT。（图片来源：Analog Devices）

图 7：单个静态通道的增益为 1.6 时，10 kHz、5 伏峰-峰输入的 FFT。（图片来源：Analog Devices）

图 8：单个静态通道的增益为 3.2 时，10 kHz、2.5 伏峰-峰输入的 FFT。（图片来源：Analog Devices）

如图所示，EVAL-CN0385-FMCZ 评估板的 ADG5207、AD8251、AD8475 和 AD4003 信号链的性能与前面的计算结果非常接近。

总结

在工业和过程控制环境中，经常需要采集数据，包括精确温度、压力和应变数据的采集。这些应用要求多路复用的高精度通道，同时在频域中保持高精度和低噪声。理想的模拟测量前端具有多路复用器、PGIA 和 18 位 2.0 MSPS 精密型 ADC。ADC 对来自有源多路复用器通道的信号进行采样。本文为合适的电路提供了准确的计算和补充性测试数据。测试结果表明，EVAL-CN0385-FMCZ 评估板的 ADG5207、AD8251、AD8475 和 AD4003 信号链的实际性能与计算值非常接近。