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模拟前端设计 - 低成本16位 250 kSPS 8通道隔离数据采集系统
接线图
2023年09月27日 21:09 197
admin
模拟前端设计
在过程控制和工业自动化系统中，典型的信号电平最高可达±10 V。图1电路使用具有衰减和电平转换功能的反相放大器，将±10 V信号转换为适合ADC范围的信号。
电路公式如下：
前端信号增益（−R2/R1）设置为−0.2，使得到达ADC的信号范围为4 V峰峰值。这与0 V至4.096 V的输入范围（等于基准电压VREF）相适合。
对于O V输入信号，运算放大器的输出应位于中间电平或0.5 VREF。
把公式1代入公式2，得到
运算放大器输入端的共模电压通过下式计算：
For R3/R4 = 1.4 且 VREF = 4.096 V时，运算放大器的共模电压为1.7 V。
每个AD8608内有四个放大器，四个同相输入短接在一起并连接到电阻分压器R3/R4。第二个分压器用于第二个AD8608。要消除运算放大器输入偏置电流，
电路输入阻抗为R1，理想情况下应较高。不过，电阻热噪声与电阻平方根成正比，因此系统噪声性能随该电阻值增加而下降。要决定最佳值，需要对噪声进行简单分析。
根据奈奎斯特准则，最大信号频率成分应小于最大采样速率的一半。AD7689 250 kSPS采样速率产生125 kHz的奈奎斯特频率。为了将此带宽内的信号衰减降至最低，前端的−3 dB截止频率被设计为奈奎斯特频率的大约12倍或1.5 MHz。
此电路的噪声模型如图2所示。本电路中有三种噪声源：电阻噪声、放大器电压噪声和放大器电流噪声。每个噪声源的均方根值如表1所示。有关运算放大器噪声的详情，请参见应用笔记 AN-358和教程 MT-047、 MT-048和 MT-049。
图2. AD8608反相配置的噪声模型
在目标带宽内，ADC之前的总均方根噪声应小于0.5 LSB，以便ADC可对输入信号进行正确数字转换。
电阻噪声可通过下式计算：
其中R单位为Ω。
使用图1所示电阻值和1.5 MHz带宽时的噪声性能总结在表1中。
这些不相关噪声电压以“方和根”形式相加；因此1.5 MHz带宽内的总运算放大器输出均方根噪声约为21.3 μV。对于4.096 V基准电压，16位LSB为62.5 μV。21.3 μV的均方根噪声小于0.5 LSB，所以图1所示电阻值适合本应用。
请注意，总输出噪声的最大来源是电阻R2，在本电路中为10 kΩ。减小R2值需要R1成比例下降，从而降低输入阻抗。
AD8608的输入电流噪声很小，除非使用极大电阻值，否则不会成为重要因素。AD8605和AD8608的低输入电流噪声和输入偏置电流使其成为高阻抗传感器（例如光电二极管）的理想放大器。
与R2并联地添加C1电容，以形成单极点、有源低通滤波器。带宽使用公式7计算。假定使用1.5 MHz、−3 dB带宽，C1约为10 pF。本电路中，考虑到PCB板的寄生效应，选择8.2 pF值。
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