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有时,更昂贵的ADC是最具成本效益的

在涉及温度测量,压力测量和工业过程控制的便携式医疗设备和工业自动化中,12位被认为足以做出正确的决定。然而,当考虑完整的多传感器系统设计时,24位转换器可能是更具成本效益的选择,这是为什么。
当开始进行系统设计时,设计人员通常会开始开发一个12位系统,从一个12位转换器开始,然后开发前端模拟链。然而,前端电路涉及多个放大器,增加了设计时间,空间,复杂性,最终导致更大的总体成本。
有一个更好的办法。本文将简要讨论如何使用8通道24位转换器来替换所有这些12位信号链。以ADI公司的 AD7124-8BCPZ-RL7 8通道,低噪声,低功耗模数转换器(ADC)为例。

典型的12位多传感器设计

创建便携式感应系统,设计师需要一个事实,他们需要一个12位,14位或16位系统,并继续开发该系统。设计工作从前端模拟链和适当的逐次逼近寄存器(SAR)ADC开始。
找到一些集成多个传感器的系统是合理的。一个很好的例子是收集温度,体重,血氧和口头声明的病人监护仪(图1)。
带录音机的病人监护仪图
图1:带有录音笔的病人监护仪是具有多个传感器的系统的一个很好的例子。(图片来源:Digi-Key Electronics)
一个通用的12位传感系统执行高端或低端系统电流测量。在这样的系统中,通过将该电流转换成电压(图2),使用亚欧姆值电阻器(R SHUNT)来感测系统电流。这显示了一个标准的高端电流检测电路,最终使用SAR-ADC将系统电流转换为可用的数字字。
典型的12位高端电流检测电路图
图2:典型的12位高端电流检测电路显示了SAR-ADC将R SHUNT检测到的电流转换为可用的数字字。(图片来源:Digi-Key Electronics)
在图2中,亚欧姆分流电阻器横跨仪表放大器(InAmp),能够感测靠近电源电压的电压。InAmp的输出范围为0到100毫伏(mV)。对于12位系统,此时最小有效位(LSB)的大小为24.4微伏(mV)。两个放大器然后通过-10 V / V的增益获得这个信号。在这个电路中,信号的输出范围是0到10伏。信号然后进入全差分放大器(FDA)。该放大器适当地为SAR-ADC差分输入引脚提供差分输出,其中LSB尺寸为1.22 mV。
下面的成本分析,将使用1000块的价格估计。回到图2的前端,InAmp器件是一种专用器件,因为它能够精确地感测电源附近的小输入信号。这个电路部分的权衡是R SHUNT必须尽可能低,以尽可能保持负载的电源不变。对于这种专业设备,成本估计是〜$ 3.00。
在InAmp之后,有两个运算放大器(OpAmps)。优选地,两个OpAmp都是双重配置的一部分。这些放大器必须具有低输入偏置电流,失调电压和噪声。随着信号前进到SAR-ADC,输入偏置电流和偏移电压将增加偏移误差。高放大器噪声将损害信号链的信噪比(SNR)。对于这种双放大器,成本估计是〜$ 2.00。
FDA接收OpAmp的输出信号。FDA的职能是将单端信号转换为差分输出,将满量程范围乘以0.4 V / V,实现电平转换至2.5 V. 对于FDA来说,成本估计是〜$ 2.00。
最后,SAR-ADC接收FDA的差分信号。这个应用电路测量流经负载的电流。该高端电流传感器电路所需的转换结果不超过12位精度。对于图2,12位SAR-ADC的典型成本约为5.00美元。
图2中的前端电路涉及多个芯片,包括四个放大器,从而增加了设计时间,空间,复杂性以及成本。在我们的例子中,前端成本是〜$ 7.00。
这个过程可以在许多传感电路上执行,但是这个实例将使用ADI公司的24位Σ-Δ(ΣΔ)转换器。

用24位转换器替换12位

有一个更好的方法来实现图2电路。SAR-ADC功能需要信号调理电路,模拟多路复用器和放大器驱动器。另一种方法是将转换器切换到ΣΔ-ADC(图3)。
传感电路框图的图像
图3:感应电路框图:上图中有一个SAR-ADC作为转换器。底部的图表有一个ΣΔ-ADC作为转换器。(图片来源:Digi-Key Electronics)
图3显示了SAR-ADC和ΣΔ-ADC信号路径之间的基本区别。SAR-ADC信号路径需要信号调理,以准备小型传感器信号来满足转换器的输入范围。ΣΔ-ADC信号路径中的传感器连接直接连接到转换器的输入。
使用ΣΔ-ADC信号链,设计人员可以忘记模拟增益级,并消除电平转换电路。这个电路将继续使用InAmp,因为它提供了过压事件的保护功能,但是,所有其他的放大器都是不必要的(图4)。
使用ΣΔ-ADC进行高端电流检测的示意图
图4:使用ΣΔ-ADC的高端电流检测显示已被替换的元件。(图片来源:Digi-Key Electronics)
所有与上述系统有关的是LSB大小为24.4 mV。为了准确,为了得到12.2 mV,LSB的大小除以2。5 V系统所需的位数很容易计算为1.44 * ln(满量程/ LSB)。对于这个电路,位数是18.6,四舍五入到19位。
再次,1000件价格估计被用于这个成本分析。回到图4的前端,我们仍然会使用InAmp器件。对于这种类型的专业设备,典型的成本仍然是〜$ 3.00。
InAmp之后,两个放大器被淘汰。这节省了$ 2.00。由于ΣΔ-ADC以数字方式执行电平转换功能,FDA也被淘汰。再次,这将节省约2.00美元。
最后,SAR-ADC接收FDA的差分信号。这个应用电路测量流经负载的电流。这种高端电流传感器电路所需的转换结果不超过12位的粒度。再次参考图2,24位ΣΔ-ADC的典型成本约为5.30美元。
图4中的前端电路的移除减少了电路的复杂性和成本。这个电路中唯一的模拟幸存者是InAmp。在这个例子中,前端成本现在约为3.00美元。

ΣΔ-ADC的全部功能

这个信号现在被放入24位系统,没有任何增益。在这个24位系统中,LSB大小相当于12位系统的增益为4098(图5)。
LSB大小的图表相当于增益4098
图5:在这个24位系统中,LSB大小相当于12位系统的增益为4098。 (图片来源:Digi-Key Electronics)
尽管特定传感器的ΣΔ-ADC输入范围较小,但转换器能够为所有传感器产生12位分辨率,而不是信号调理阶段。
所以让我们在这个方法中加一点点实际。在找到满量程为5 V的24位ΣΔ-ADC后,设计人员将有机会消除其信号链元件。如果他们进一步采用这种方法,他们可以使用具有内部可编程增益放大器(PGA)的ΣΔ-ADC,允许在ΣΔ-ADC内部添加模拟信号链路元件(图6)。
ADI公司AD7124-8图16位输入引脚中的4个24位ΣΔ-ADC(点击放大)
图6:具有16个输入引脚中的4个的AD7124-8 24位ΣΔ-ADC。(图片来源:Analog Devices)
8位差分输入AD7124-8,24位ΣΔ-ADC是一款含有可编程增益(1至128),内部参考电压和内部时钟振荡器的低噪声解决方案。该器件非常适合消除图2所示的繁重模拟信号调理电路。

结论

本文简要讨论了为什么使用24位转换器而不是多个12位器件更好,以及如何降低多传感器器件模拟前端的成本和复杂性。
以ADI公司的AD7124-8BCPZ-RL7 8通道,低噪声,低功耗ΣΔADC为例。该器件还将消除对PGA和参考电压的需求。

(责任编辑:ioter)

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