更昂贵的 ADC 有时却是最经济高效的

作者:Bonnie Baker

投稿人:Digi-Key 北美编辑

在涉及到温度测量、压力测量、工业流程控制的便携式医疗设备和工业自动化领域,12 位转换器足以成为我们理想的选择。但是,如果考虑到整个多传感器系统设计,那么 24 位转换器可能是更加经济高效的选择,本文将解释其中的原因。

开始进行系统设计时,设计人员通常着手开发 12 位系统,首先从 12 位转换器开始,然后开发前端模拟链。但是,由于前端电路涉及到多个放大器,因而会增加设计时间、空间和复杂性,最终提高整体成本。

我们可以采用更好的方法。本文简要讨论了如何使用 8 通道 24 位转换器来取代所有 12 位信号链。我们将使用 Analog DevicesAD7124-8BCPZ-RL7 8 通道、低噪声、低功耗模数转换器 (ADC) 作为示例。

典型 12 位多传感器设计

在开发便携式感应系统时,设计人员首先确定他们需要 12 位、14 位还是 16 位系统,然后着手开发该系统。设计工作从前端模拟链和相应的逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 开始。

我们可能发现一些系统集成了多个传感器,这是非常合理的现象。患者监护仪就是很好的例子,它用于收集温度、体重、血氧和语言能力状态(图 1)。

带有录音器的患者监护仪的框图

图 1: 带有录音器的患者监护仪是多传感器系统的很好例子。(图片来源:Digi-Key Electronics)

常见的 12 位感应系统执行高压侧或低压侧系统电流测量。在此类系统中,我们使用低阻值电阻器 (RSHUNT),通过将电流转换为电压来感应系统电流(图 2)。该图显示了标准高压侧电流感应电路,该电路使用 SAR-ADC,最终将系统的电流转换为可用的数字值。

典型 12 位高压侧电流感应电路的框图

图 2: 典型 12 位高压侧电流感应电路显示了 SAR-ADC,它将 RSHUNT 感应的电流转换为可用的数字值。(图片来源:Digi-Key Electronics)

在图 2 中,低阻值分流电阻器与仪表放大器 (InAmp) 连接,该放大器能够感应接近电源电压值的电压。InAmp 的输出在 0 至 100 毫伏 (mV) 范围内。对于 12 位系统,此处的最低有效位 (LSB) 大小为 24.4 毫伏 (mV)。然后,两个放大器为此信号提供增益,二者均为 -10 V/V。在电路中的这个位置,信号的输出范围为 0 至 10 伏特。随后,信号进入全差分放大器 (FDA)。该放大器适当地为 SAR-ADC 差分输入引脚提供差分输出,LSB 大小为 1.22 mV。

下面的成本分析将使用 1000 件价格估算。回到图 2 中的前端,InAmp 器件是一种专业器件,因为它能够精确地感应电源附近的小输入信号。这部分电路的弊端是 RSHUNT 必须尽可能低,试图让负载的电源尽可能保持恒定。对于这种类型的专业器件,成本估算为大约 3 美元。

在 InAmp 后面,还有两个运算放大器 (OpAmp)。两个运算放大器都是双配置的一部分。这些放大器必须具有较低的输入偏置电流、补偿电压和噪声。当信号进入 SAR-ADC 时,输入偏置电流和补偿电压将增加失调误差。高放大器噪声将影响信号链的信噪比 (SNR)。对于这种类型的双放大器,成本估算为大约 2 美元。

FDA 接收运算放大器的输出信号。FDA 的功能是将单端信号变成差分输出,将满量程范围乘以 0.4 V/V,让电平位移达到 2.5 伏特。对于 FDA,成本估算为大约 2 美元。

最后,SAR-ADC 接收 FDA 的差分信号。此应用电路测量流经负载的电流。该高压侧电流传感器电路要求不超过 12 位的转换结果粒度。在图 2 中,12 位 SAR-ADC 的典型成本为大约 5 美元。

图 2 中的前端电路涉及多个芯片,包括四个放大器,因而会增加设计时间、空间和复杂度,最终还会增加成本。在本例中,前端成本为大约 7 美元。

这个过程可在多个感应电路上执行,但本例将使用 Analog Devices 提供的 24 位三角积分 (∑∆) 转换器。

使用 24 位转换器取代 12 位转换器

我们可以采用更好的方法来实现图 2 所示的电路。SAR-ADC 功能需要信号调节电路、模拟多路复用器和放大器驱动器。替代方法是将转换器更换为 ∑∆-ADC(图 3)。

感应电路方框图的图片

图 3: 感应电路方框图:顶部框图使用 SAR-ADC 作为转换器。底部框图使用 ∑-ADC 作为转换器。(图片来源:Digi-Key Electronics)

图 3 显示了 SAR-ADC 和 ∑∆-ADC 信号路径之间的基本差异。SAR-ADC 信号路径需要信号调节,为小传感器信号做好准备,以满足转换器的输入范围。∑∆-ADC 信号路径中的传感器连接是直接连接到转换器的输入。

使用 ∑∆-ADC 信号链,设计人员可以忘记模拟增益级,消除电平位移电路。该电路仍将继续使用 InAmp,因为它提供了针对过压事件的保护功能,但其他所有放大器都是不必要的(图 4)。

使用 ∑∆-ADC 的高压侧电流感测的框图

图 4: 使用 ∑∆-ADC 的高压侧电流感测,显示已更换的元件。(图片来源:Digi-Key Electronics)

对于以上系统,最令人关注的是 LSB 大小为 24.4 mV。出于精确度的原因,我们可将 LSB 大小除以二,结果为 12.2 mV。5 V 系统所需的位数的计算方式很简单:1.44*ln(满量程范围/LSB)。对于本电路,位数为 18.6,四舍五入为 19 位。

再强调一次,在这个成本分析中,我们使用了 1000 件价格估算。回到图 4 的前端,我们仍将使用 InAmp 器件。对于这种类型的专业器件,典型成本仍为大约 3 美元。

在 InAmp 后面,无需再使用两个放大器。这样可以节省大约 2 美元。由于 ∑∆-ADC 可通过数字方式执行电平位移功能,因此也不再需要 FDA。这样又可以节省大约 2 美元。

最后,SAR-ADC 接收 FDA 的差分信号。此应用电路测量流经负载的电流。该高压侧电流传感器电路要求不超过 12 位的转换结果粒度。再次参考图 2,24 位 ∑∆-ADC 的典型成本为大约 5.30 美元。

在图 4 中,我们不再需要前端电路,这样就降低了电路复杂性和成本。此电路中唯一剩余的模拟器件是 InAmp。在本例中,前端成本为大约 3 美元。

∑∆-ADC 的全面功能

此信号已进入 24 位系统,没有增益。在这个 24 位系统中,LSB 大小相当于 12 位系统具有 4098 的增益(图 5)。

相当于具有 4098 的增益的 LSB 大小的框图

图 5: 在这个 24 位系统中,LSB 大小相当于 12 位系统具有 4098 的增益。(图片来源: Digi-Key Electronics)

虽然特定传感器的 ∑∆-ADC 的输入范围很小,但转换器能够为所有传感器产生 12 位的分辨率,而且没有信号调节阶段。

现在我们通过实例描述这种方法。一旦找到满量程范围为 5 V 的 24 位 ∑∆-ADC,设计人员将有机会不再使用一些信号链元件。如果进一步采用这种方法,他们可以使用带有内部可编程增益放大器 (PGA) 的 ∑∆-ADC,允许在 ∑∆-ADC 内部添加模拟信号链元件(图 6)。

Analog Devices 的 AD7124-8 24 位 ∑∆-ADC 的框图,带有 4/16 个输入引脚(单击放大)。

图 6: AD7124-8 24 位 ∑∆-ADC,带有 4/16 个输入引脚。(图片来源:Analog Devices)

八个差分输入的 AD7124-8 24 位 ∑∆-ADC 是一种低噪声解决方案,包含可编程增益(1 至 128)、内部电压基准和内部时钟振荡器。该器件非常适合消除图 2 所示的繁杂模拟信号调节电路。

总结

本文简要论述了为什么使用 24 位转换器来替代多个 12 位器件通常是更好的方案,以及如何降低多传感器器件的模拟前端的成本和复杂性。

我们使用 Analog Devices 的 AD7124-8BCPZ-RL7 8 通道、低噪声、低功耗 ∑∆ ADC 作为示例。有了该器件,我们不再需要 PGA 和电压基准。

参考资料

  1. "Accuracy comes in many flavors", Baker, Bonnie, EDN, January 8, 2004, pg. 22

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关于此作者

Bonnie Baker

Bonnie Baker 是 Digi-Key Electronics 的特约作者。她曾经在 Burr-Brown、Microchip 和 Texas Instruments 从事模拟设计和模拟系统构建 30 余年。Bonnie 拥有亚利桑那大学(亚利桑那州图森市)的电子工程硕士学位和北亚利桑那大学(亚利桑那州弗拉格斯塔夫)的音乐教育学士学位。除了对模拟设计着迷之外,Bonnie 还通过著写 450 多篇文章、设计笔记和应用笔记分享了她的知识和经验。

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