Bij het ontwerpen met een analoog-naar-digitaal omzetter (ADC), is het gemakkelijk om ten onrechte te denken dat het verminderen van het ingangssignaal om te voldoen aan het volledige bereik van de ADC een significante afname van de signaal-ruisverhouding (SNR) zal veroorzaken. ).
Vooral systeemontwerpers die te maken hebben met grote spanningsschommelingen maken zich hier zorgen over. Bovendien zijn ADC's die worden aangedreven door lage spanningen (5V of lager) in vergelijking met ADC's die worden gevoed door hogere spanningen, diverser.
Een hogere voedingsspanning leidt meestal tot een hoger stroomverbruik en een ingewikkelder printplaatlay-out (er zijn bijvoorbeeld meer ontkoppelcondensatoren nodig).
Veel signalen die door sensoren of systemen worden gegenereerd, zijn bipolaire hoogspanningssignalen (zoals het veelgebruikte ±10V-signaal). Er zijn echter veel eenvoudige manieren om dit signaal door de ADC te sturen; Er kunnen ook verschillende geïntegreerde hoogspannings-ADC-oplossingen worden gebruikt: het kan dit grote volledige ingangssignaal aan zonder in te boeten aan SNR. Deze oplossingen vereisen een zeer hoge voedingsspanning om aan de vereisten van het ingangsbereik te voldoen, en hun stroomverbruik is ook vrij groot (Figuur 1). Deze hoogspannings-ADC's beperken ook de selectie van oplossingen voor signaalconditionering (opamp). Als het signaal moet worden gemultiplext met een combinatie van hoogspannings- en laagspanningsingangen, zullen de systeemkosten aanzienlijk stijgen (Figuur 2).
U kunt ook de ingangsversterker gebruiken om het signaal te schalen zodat het overeenkomt met het volledige ingangsbereik van de laagspannings-ADC. Dit signaalconditioneringscircuit kan worden aangesloten op een gemultiplexte ingang zodat alle signalen in lijn kunnen zijn met het ADC-bereik (Figuur 3).
Bij gebruik van een versterker voor het schalen van de signaalspanning wordt de ruis gerefereerd aan de versterkeringang. Op dit moment zijn er twee belangrijke ruisbronnen: de ingangsreferentieruis van de versterker zelf en de verminderde ingangsreferentieruis van de ADC. Deze twee geluidsbronnen worden gecombineerd in een kwadratische term. Daarnaast wordt de ruis van de versterker ook gefilterd door de ingangsbandbreedte van de ADC en het anti-aliasing filter tussen de versterker en de ADC ingang, zie figuur 4.
Afbeelding 4: De zoomversterker introduceert ruis, maar de ruis wordt gefilterd door het RC-circuit en het ingangsnetwerk van de ADC.
De berekeningsformule van systeem SNR (versterker ingangsaansluiting) is:
Waar: VnADC is de RMS-ingangsruis van de ADC; VnOPA is de ingangsreferentieruis van de versterker (X maal de ingangsreferentie) = enkelpolige -3dB frequentie.
Gezien het volledige bereik van de ADC, ADC-ingangsreferentieruis en versterkerschaalfactor, zijn er twee variabelen die van invloed zijn op het doel van SNR-verliesreductie: de afsnijfrequentie van het filter en de ingangsreferentieruis van de versterker.
Als de signaalbron laagfrequente componenten heeft, kan een filter zo worden ontworpen dat de versterker grotere ingangsruis kan verdragen (hogere ingangsruis hangt meestal samen met een lager stroomverbruik en lagere kosten). Als de ADC de bandbreedte van het systeem beperkt, moet de versterker een ingangsreferentieruis hebben die laag genoeg is om het SNR-verlies binnen een acceptabel bereik te houden.
Bijvoorbeeld, gegeven een ±10V ingangssignaal en een 5VP-P ADC op volledige schaal met een SNR van 92dB, is de schaalfactor (de verhouding van de input tot het volledige bereik) 4. De ADC-ingangsreferentieruis in het gegevensblad is 44.4 nV RMS. Ervan uitgaande dat de afsnijfrequentie van het filter 10 kHz is en de ingangsreferentieruis van de versterker 10 nV/(Hz) 1/2 is, is het SNR-verlies: SNR(verlies)=0.035dB.
Als er geen filter is en de ADC-bandbreedte wordt verondersteld 10 MHz te zijn, om hetzelfde SNR-verlies te bereiken, wordt de vereiste ingangsreferentieruis 0.3 nV/(Hz) 1/2. Deze eis is zeer streng.
Voor een ADC met dezelfde bandbreedte van 10MHz, als SNR(verlies)=0.5dB is toegestaan, is de ruiseis van de versterker 4nV/(Hz) 1/2, wat relatief eenvoudig te implementeren is.
Daarom, als de systeembandbreedte en het toegestane SNR-verlies worden gegeven, zal het toevoegen van een proportionele versterker om het hoogspanningssignaal om te zetten in een laagspannings-ADC in het volledige bereik een volledig haalbare oplossing zijn. Bij het voeden van meerdere signalen met verschillende zwaaiamplitudes aan een gemultiplexte laagspannings-ADC, kan deze oplossing een kosteneffectief systeem opleveren.
Onze andere producten:
