作者：Reem Malik and Sandro Herrera

數據采集系統和可編程邏輯控制器 （PLC） 需要多功能高性能模擬前端，與各種傳感器接口，以準確可靠地測量信號。根據傳感器的特定類型以及被測電壓或電流的大小，可能需要放大或衰減信號，以匹配用于進一步數字處理和反饋控制的模數轉換器（ADC）的滿量程輸入范圍。

數據采集系統中的典型電壓測量范圍為±0.1 V至±10 V。通過選擇正確的電壓范圍，用戶可以隱式改變系統增益，以最大化模數轉換器（ADC）輸入端的采樣電壓幅度，從而最大限度地提高信噪比（SNR）和測量精度。在典型的數據采集系統中，需要衰減的信號和需要放大的信號由不同的信號路徑處理。這通常會導致更復雜的系統設計，需要額外的元件，并使用更多的電路板空間。在同一信號路徑中提供衰減和放大的解決方案通常使用可編程增益放大器和可變增益放大器，但這些放大器通常不能提供許多工業和儀器儀表應用所需的高直流精度和溫度穩定性。

構建功能強大的模擬前端，在單個信號路徑中提供衰減和放大，以及差分輸出以驅動高性能模數轉換器，一種方法是級聯可編程增益儀表放大器（PGIA），例如AD8250（增益為1、2、5或10）、AD8251（增益為1、2、4或8）或AD8253（增益為1， 如圖10、100或1000），電路中采用全差分漏斗（衰減）放大器，如AD8475。該解決方案具有簡單性、靈活性和高速性，以及出色的精度和溫度穩定性。

上述可編程增益儀表放大器具有 5.3GΩ 差分輸入阻抗和 –110dB 總諧波失真 （THD），非常適合與各種傳感器接口。增益為10時，AD8250的保證規格包括：3 MHz帶寬、18 nV/√Hz電壓噪聲、685 ns建立時間至0.001%、1.7 μV/°C失調漂移、10 ppm/°C增益漂移以及從直流至50 kHz的90 dB共模抑制。精密直流性能與高速相結合，使放大器非常適合具有多路復用輸入的數據采集應用。

AD8475是一款高速、全差分漏斗放大器，集成精密電阻，提供0.4或0.8的精密衰減、共模電平轉換、單端至差分轉換和輸入過壓保護。這款易于使用、完全集成的精密增益模塊設計用于使用+5 V單電源處理高達±10 V的信號電平。因此，它可以將工業級信號與采樣速率高達4 MSPS的低壓高性能16位和18位逐次逼近（SAR）ADC的差分輸入電壓范圍相匹配。

AD825x和AD8475協同工作，如圖1所示，提供靈活的高性能模擬前端。表1顯示了可以實現的增益組合，具體取決于輸入和輸出電壓范圍要求。

圖1.數據采集模擬前端，采用AD825x PGIA和AD8475差分輸出漏斗放大器。

表 1.AAD8475與AD8250、AD8251和AD8253組合的輸入電壓范圍和增益

功能：輸入電壓范圍和帶寬

采用±15 V電源供電時，AD825x系列PGIA的最大輸入電壓范圍約為±13.5 V（AD8250和AD8251提供超出電源軌高達13 V的額外過壓保護）。在本應用中，PGIA輸入電壓范圍的有效限值由ADC輸入的滿量程電壓范圍和從傳感器到ADC的信號路徑增益設定。例如，AD7986 18位、2 MSPS PulSAR ADC采用2.5 V單電源供電，典型基準電壓為4.096 V。其差分輸入可接受高達 ±4.096 V（輸入為 0 V 至 4.096 V 和 4.096 V 至 0 V）。如果模擬前端的總增益設置為0.4，AD825x的增益配置為1，AD8475的增益配置為0.4，則系統可以處理最大幅度為±10.24 V的輸入信號。

要確定任何系統所需的增益設置組合，請考慮ADC（VFS）的滿量程輸入電壓以及傳感器的預期最小/最大電流或電壓電平。

鑒于其精度和功能水平，該模擬前端的速度和帶寬非常出色。該電路的速度和帶寬能力由以下因素組合決定：

AD825x建立時間：對于10 V輸出電壓階躍，AD8250在615 ns內建立至0.001%（16位）。

AD825x壓擺率：AD825x的壓擺速率在20 V/μs至30 V/μs之間，具體取決于增益設置。AD8475的壓擺速率為50 V/μs，因此系統受AD825x壓擺率的限制。

抗混疊濾波器（AAF）截止頻率：此用戶確定的濾波器頻帶可限制ADC輸入端的信號，以防止混疊并改善信號鏈的SNR（有關詳細信息，請參見放大器和ADC數據手冊）。

ADC采樣速率：AD8475可以驅動高達4 MSPS的18位分辨率轉換器。

許多數據采集和過程控制系統測量壓力、溫度和其他低頻輸入信號，因此前端放大器的直流精度和溫度穩定性對系統性能至關重要。其中許多應用包括多個傳感器，這些傳感器以輪詢方式多路復用到放大器輸入端。通常，輪詢頻率遠大于目標信號的帶寬。當多路復用器從一個傳感器切換到下一個傳感器時，放大器輸入端看到的電壓變化是未知的，因此設計必須適應最壞的情況：滿量程電壓階躍。放大器必須能夠在分配給開關的時間內從此滿量程階躍建立。該建立時間還需要低于ADC采樣和采集信號所需的建立時間。

建議在AD8475和ADC輸入之間使用抗混疊濾波器（AAF）。AAF頻段限制ADC輸入端的信號和噪聲，以防止不良混疊效應并改善系統SNR。此外，AAF 會吸收一些 ADC 輸入瞬態電流，因此濾波器還在放大器和 ADC 的開關電容輸入之間提供一些隔離。通常，AAF 使用簡單的 RC 網絡實現，如圖 1 所示。以下公式描述了濾波器帶寬：

在許多情況下，濾波器的R和C值會根據經驗進行優化，以便為ADC提供必要的帶寬、建立時間和驅動能力。有關具體建議，請參閱 ADC 數據手冊。

結論

AD8475和AD825x系列PGIA共同實現了一個簡單的模擬前端，可提供高性能、功能性和靈活性。放大和衰減均可使用多種可編程增益組合，從而優化不同的測量電壓范圍。AD825x的性能和可編程性非常適合多路復用測量系統，AD8475為精密模數轉換器提供了出色的接口。兩個放大器配合良好，可保持傳感器信號的完整性，作為工業測量系統的高性能模擬前端。

審核編輯：郭婷