【導讀】gongyecelianghekongzhixitongtongchangxuyaozaigaozaoshenghuanjingzhongyuchuanganqiduijie。youyuchuanganqitongchangchanshengdedianqixinhaojiweiweiruo，jiangqishuchuxinhaocongzaoshengzhongtiquchulaishiyixiangyounandudegongzuo。liyongxinhaotiaolijishu(如放大和濾波)有助於提取信號，因為這些技術可提升係統的靈敏度。然後可對信號進行縮放與轉換，以便充分利用高性能ADC。

本應用筆記介紹一款通用精密信號調理前端，可填補傳感器和高分辨率ADC之間的空白。本文將對電路進行分析，以便了解其噪聲貢獻、環境噪聲抑製以及執行高靈敏度測量的能力。

精密信號調理電路描述

精密信號調理電路主要由3級組成：放大級、濾波級和ADC驅動級。這些組件為電路提供靈活性。

放大在第一級中通過差分前端實現。首選差分輸入
，因為其本身具備了噪聲抑製特性，而環境噪聲通常表現為共模信號(例如
，電源線噪聲和接地環路)。第一級提供更寬的輸入範圍、可調增益以及隨增益而增加的高共模抑製比(CMRR)。第二級使用了一個濾波器

；ADC驅動在最後一級中實現。最後一級實現單端至差分的轉換
，以及輸出信號的轉換與縮放，並將結果輸入ADC。

精密信號調理電路的各級

精密信號調理電路的原理圖如圖1所示。該圖第一部分顯示采用低噪聲儀表放大器AD8421實現的放大功能，其輸入電壓噪聲密度為3 nV/√Hz。使用單位增益時
，該放大器可讓係統具有94 dB以上的共模抑製能力。使用單個電阻即可設置不同的增益值。由於這款器件采用專利的引腳排列以及經過仔細設計的架構，同時由於CMRR隨增益增加而增加，因此當增益為1000時，共模抑製能力將保證高於140 dB。前端電路的輸入端還包含一個RFI濾波器，防止高頻噪聲破壞測量結果。

圖1. 精密信號調理電路原理圖

為了限製噪聲帶寬並避免混疊
，采用低噪聲JFET運算放大器AD8510進行濾波，其電壓噪聲密度為8 nV/√Hz。圖1的中央部分顯示該器件配置為2極點Sallen-Key濾波器，轉折頻率為460 Hz。該濾波器僅允許目標頻率通過
，從而防止ADC對混疊頻率進行采樣。來自AD8421的信號進入由兩個20 kΩ電阻組成的電阻分壓器，以便該信號能縮放至ADC的輸入(采用2.5 V基準電壓源)。使用此分壓器以及配置為單位增益的放大器，則濾波器級的總增益為0.5。

AD8475是一款差分ADC驅動器，配置為增益0.4，如圖1中的最右邊所示。它可執行單端至差分的轉換，同時提供VOCM引腳
，允許用戶將輸出信號轉換為對ADC而言的最佳電平。本電路中
，輸出共模電平是用於ADC的一半基準電壓。這樣可以確保輸入ADC的信號具有最大的動態範圍。考慮到上一級的增益
，則信號調理電路的輸出增益為0.2。在此衰減係數下
，當ADC使用2.5 V基準電壓時
，可獲得±10 V可用輸入範圍。

圖2. 精密信號調理電路板

放大器噪聲考慮因素

shijizhong
，gusuanrenhetiaolidianludeyuqizaoshenggongxiankerangyonghujisuanxitongdeyouxiaofenbianlv。zhuyi，xinhaotiaolidianluzishendeyouyuanqijianyehuiduidianlugongxianmouzhongxingshidezaosheng。

例如，圖3顯示了AD8421折合到輸入端的電壓噪聲密度圖。

圖3. AD8421的電壓噪聲密度

放大器噪聲通常由1/f噪聲和寬帶噪聲組成。隨著頻率的下降，1/fzaoshengbiaoxianweipinpumidudeshangsheng。cizaoshengtongchangduidipinchanshengyingxiang。dizhuanzhepinlvdefangdaqizaijiejinzhiliudeyingyongzhongzaoshengjidi。xiangfan
，kuandaizaoshengzaiqiyupinduanneidepinpumidububian。jisuanyingyongzhongdezongzaoshenggongxianshi，bixukaolvgongzuodaikuan。duiyuAD8421而言，其轉折頻率為10 Hz。

從圖3中zhong可ke以yi看kan出chu，噪zao聲sheng還hai受shou增zeng益yi的de影ying響xiang。儀yi表biao放fang大da器qi的de輸shu入ru和he輸shu出chu中zhong都dou存cun在zai噪zao聲sheng分fen量liang。增zeng益yi增zeng加jia時shi
，輸shu出chu噪zao聲sheng分fen量liang以yi增zeng益yi為wei係xi數shu縮suo小xiao，使shi折zhe合he到dao輸shu入ru的de總zong噪zao聲sheng降jiang低di。

其他因素導致的噪聲分量各自不相關。因此，電路的輸出噪聲可通過計算其平方和的平方根(稱為RSS)求得(更多信息可參考技術文章MS-2066：傳感器電路的低噪聲信號調理)。

由於對電路的直流性能進行評估，因此來自放大器的噪聲貢獻主要受1/f噪聲影響。ADC還可消除寬帶噪聲
，因此不計入計算中。根據0.1 Hz至10 Hz噪聲規格，對於每個放大器而言，折合到輸出(RTO)的噪聲增量見表1。本節中的所有分析均假定AD8421的增益狀態為1。

表1. ADC驅動器精密信號調理電路的總預期噪聲

然後，便可求解精密信號調理電路的預期總RSS噪聲。

將信號調理電路與低噪聲模數轉換器對接可測量此噪聲。AD7195是一款24位Σ-Δ型ADC，集成內部PGA。通過表征2.5 V基準電壓下的ADC，可以觀察到10 Hz輸出數據速率(ODR)以及±19.5 mV輸入電壓範圍下的噪聲分布為63 nV p-p(內部PGA增益設為128)。由於該數值比計算得到的2.7 µV p-p前端噪聲幅度低兩個數量級，此噪聲貢獻可以忽略不計。

這一假設同樣適用於實際設置中精密信號調理電路的噪聲驗證。

圖4顯示單芯片評估板上信號調理電路與AD7195的對接。為了測量係統噪聲，將輸入短路至地。由於噪聲是隨機噪聲，因此測量其峰峰值和均方根值

；後者等於高斯分布的標準差。評估板軟件可收集這些測量的結果。

圖4. 噪聲評估設置

噪聲測量結果如圖5所示。圖中，ADC的內部PGA增益設為128，ODR為10 Hz。圖中可以觀察到2.6 µV p-p的噪聲測量結果與2.7 µV p-p的計算值相關。考慮到估算數值時使用的是典型規格數據
，因此可以預期獲得這樣的性能。

圖5. 10 Hz ODR時的噪聲結果(內部PGA增益設為128)

總係統性能

係統靈敏度和有效分辨率由電路的內部噪聲決定。使用精密信號調理電路驅動AD7195時，噪聲計算可用來預測係統性能。由於目標頻段為0.1 Hz至10 Hz，因此需注意若要使計算得到的噪聲值有效，采集時間應當為10秒。

keceliangjiweiruoxinhaodexitongyeyingdangnengzaiyoujiaodaganraoxinhaodeqingkuangxiazheyangzuo，jieguocaiyouxiao。gongmoyizhikezuoweihengliangzhezhongnenglidepinzhiyinshu，bingqiezhuyaoyoudianluqianduanbufenjueding。

靈敏度

噪聲分析可用來確定係統的靈敏度。若在內部PGA增益為1的情況下使用，則ADC噪聲會影響係統噪聲。預期噪聲值如表2所示。

表2. 不同采樣速率下的預期噪聲

以10 Hz ODR為例，使用相應的配置
，在實際設置中測量噪聲。如圖6所示，3.0 µV p-p讀數與計算值相關。

圖6. 10 Hz ODR時的噪聲結果(內部PGA增益設為1)

采用10 Hz ODR時獲得的數據，可以將最大計算噪聲值折合到係統的輸入端，以得到其大致的靈敏度，即係統所能檢測的最小電壓變化。由表2可知：

然後，就可以預測係統將能正確解析其輸入端的15 µV電壓變化。由於在增益1下使用AD8421

，此結果適用於±12.5 V輸入範圍。

顯然，執行這些步驟後
，靈敏度隨著增益的增加而增加。考慮AD8421配置為增益100的情況。在該增益下，輸入範圍為±125 mV，信號調理電路的總增益為20。增益為100時的AD8421峰峰值噪聲為70 nV p-p。將此數據用於信號調理電路的噪聲計算中，則有：

將來自ADC的1.2 µV p-p峰峰值噪聲納入計算中，則總預期係統噪聲為3.2 µV p-p。

現在可以計算係統靈敏度了：

輸入範圍為±125 mV時
，係統靈敏度為160 nV p-p。它演示了係統增益的增加如何使靈敏度增加。

無噪聲分辨率

下列公式可以確定采用AD7195所能達到的無噪聲分辨率：

由於ADC使用了雙極性輸入，因此滿量程範圍為基準電壓的兩倍。將上式代入前麵的公式可得：

無噪聲分辨率也可表示為有效位數(ENOB)，當AD8421配置為單位增益時，ENOB為20.7位。當配置為增益100時
，分辨率幾乎不變，為20.6位。

不(bu)同(tong)的(de)采(cai)樣(yang)速(su)率(lv)和(he)增(zeng)益(yi)下(xia)的(de)分(fen)析(xi)方(fang)法(fa)相(xiang)同(tong)

，采(cai)用(yong)該(gai)方(fang)法(fa)同(tong)樣(yang)可(ke)獲(huo)得(de)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)的(de)估(gu)計(ji)值(zhi)。這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)可(ke)讓(rang)人(ren)們(men)了(le)解(jie)該(gai)電(dian)路(lu)在(zai)所(suo)需(xu)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)性(xing)能(neng)。

共模抑製

有關靈敏度和分辨率的討論可以用來表示係統針對內部噪聲的性能。共模抑製適合用作係統針對外部噪聲的性能品質因數。

與電路的前端部分相同，電路的共模抑製主要由AD8421確定。CMRR表示差分增益與共模增益之比。它還可以通過數學方式表示為：

其中：

A_di表示差分增益。

V_CM表示放大器輸入端的共模電壓。

V_OUT表示共模電壓對輸出電壓的貢獻。

假設不需要的共模電壓在兩個輸入端均含有10 V p-p信號，並且增益為1時，AD8421的最小CMRR為94 dB。利用這些數據便可求解AD7195輸入端的環境噪聲貢獻。

可以觀察到200 µV p-p輸出電壓，這是由於AD8421輸出端的共模噪聲造成的。電路的衰減功能使其下降至40 µV p-p(AD7195的輸入端)。

將其與增益配置為100的AD8421進行比較，則參數相同的情況下，ADC輸入端的共模噪聲依然處於40 µV p-p的水平，但靈敏度更高。它演示了增益和CMRR的增加如何有助於提升相對外部噪聲的靈敏度。

此共模噪聲是電源線上最常見的噪聲源
，而經過前端CMRR大幅抑製後可進一步通過AD7195的串模抑製比(NMRR)加以衰減。這是因為其數字陷波濾波器可配置為線路頻率等於50 Hz和60 Hz時下降。使用AD7195的Sinc4濾波器和10 Hz ODR
，可以保證具有高於100 dB的NMRR。40 µV p-p共模噪聲貢獻將被衰減至1 nV以下
，從而電路有效抑製了線路噪聲。

結論

精密信號調理電路可讓用戶高效提取目標信號
，哪怕信號位於高噪聲環境中。性能參數(如靈敏度、有效分辨率和穩定的環境噪聲抵抗力)可ke以yi通tong過guo考kao慮lv內nei部bu噪zao聲sheng和he共gong模mo抑yi製zhi估gu算suan。這zhe些xie指zhi標biao最zui終zhong決jue定ding係xi統tong的de性xing能neng，並bing協xie助zhu用yong戶hu設she計ji工gong業ye應ying用yong。在zai接jie口kou處chu使shi用yong不bu同tong的de模mo數shu轉zhuan換huan器qi還hai可ke進jin一yi步bu優you化hua係xi統tong。

參考文獻

1. AD7195 Data Sheet. 2010. Analog Devices, Inc.

2. AD8421 Data Sheet. 2012. Analog Devices, Inc.

3. AD8475 Data Sheet. 2011. Analog Devices, Inc.

4. AD8510 Data Sheet. 2009. Analog Devices, Inc. 

5. Kitchin, Charles and Lew Counts. A Designer’s Guide to Instrumentation Ampliers (3rd ed). Analog Devices, Inc. 

6. Moghimi, Reza. 2010. Low Noise Signal Conditioning for SensorBased Circuits. MS-2066 Technical Article. Analog Devices,Inc. 

7. Motchenbacher, C. D. and F. C. Fitchen. 1973. Low-Noise Electronic Design. New York: Wiley. 

8. National Instruments. 2010. Digital Multimeter Measurement Fundamentals. Available online from National Instruments. 

9. Ott, Henry. 1988. Noise Reduction Techniques in Electronic Systems (2nd ed). Wiley. 

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

通過節省時間和成本的創新技術降低電源中的EMI

高性能雙無源混頻器可應對5G MIMO接收器挑戰

為什麼CAN-bus網絡的終端電阻如此重要？

高壓雙向觸發器件SIDAC的特點及其應用

如何測量和降低DC/DC電壓調節器的輸出電壓紋波