【導(dǎo)讀】電子行業(yè)經(jīng)常需要測(cè)量寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)，但目前的技術(shù)常常難以滿足系統(tǒng)的實(shí)際要求。電子秤系統(tǒng)通常采用稱(chēng)重橋式傳感器，最大滿量程輸出為1 mV至2 mV。這種系統(tǒng)要求分辨率約為1000000：1，折合到2 mV輸入端時(shí)，需要高性能、低噪聲、高增益放大器和∑-?調(diào)制器。與此類(lèi)似，醫(yī)療應(yīng)用中進(jìn)行化學(xué)和血液分析時(shí)經(jīng)常會(huì)采用光電二極管傳感器，產(chǎn)生的電流很小，需要精確測(cè)量（如圖1所示）。通常采用的是低噪聲跨導(dǎo)放大器，該放大器有多級(jí)增益和后處理功能。
圖1. 稱(chēng)重傳感器和光電二極管應(yīng)用的輸入
盡管實(shí)際傳感器數(shù)據(jù)通常只占輸入信號(hào)范圍的一小部分，但系統(tǒng)往往必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)以處理故障情況。因此，寬動(dòng)態(tài)范圍、高性能（且輸入較小）以及對(duì)快速變化信號(hào)的迅速響應(yīng)就成了關(guān)鍵要求。有些應(yīng)用（如振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)）包含交流和直流兩種信息，因此，具備精確監(jiān)控大小兩種信號(hào)的能力變得越來(lái)越重要。
要滿足這些要求，需要有靈活的信號(hào)調(diào)理模塊、低噪聲輸入、較高的增益，還要能夠在不影響性能的前提下動(dòng)態(tài)改變?cè)鲆嬉皂憫?yīng)輸入電平變化，同時(shí)依然維持寬動(dòng)態(tài)范圍。現(xiàn)有的∑-? 技術(shù)能夠提供很多應(yīng)用所需的動(dòng)態(tài)范圍，但要犧牲更新速率。本文提出了一種替代方法，即結(jié)合采用高速逐次逼近型采樣ADC和自動(dòng)調(diào)節(jié)量程的可編程增益放大器(PGA)前端。鑒于增益會(huì)根據(jù)模擬輸入值自動(dòng)改變，這種方法采用過(guò)采樣將系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍增加至126 dB以上。
技術(shù)
在ADC應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)范圍是指滿量程均方根值與均方根噪聲之比，通常將模擬輸入短接在一起測(cè)得。動(dòng)態(tài)范圍通常以分貝表示 (dBV = 20 × log10 電壓比)表示ADC能夠辨識(shí)的信號(hào)幅度范圍；動(dòng)態(tài)范圍為60 dB的ADC可辨識(shí)的信號(hào)幅度范圍為1000:1。N位ADC的動(dòng)態(tài)范圍(DR)計(jì)算公式如下：
DR = 6.021N + 1.763 dB
∑-? ADC,（如AD7767, 可以通過(guò)結(jié)合∑-? 調(diào)制器和數(shù)字后置處理器實(shí)現(xiàn)出色的動(dòng)態(tài)范圍。轉(zhuǎn)換器之后的數(shù)字濾波用于消除帶外量化噪聲，它還可以將數(shù)據(jù)速率從濾波器輸入端的fMCLK, 降低到數(shù)字輸出端的fMCLK/8, fMCLK/16, 或fMCLK/32, 具體取決于所用器件的型號(hào)。要提高動(dòng)態(tài)范圍，可以添加低噪聲PGA，通過(guò)調(diào)理輸入信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)滿量程。系統(tǒng)的本底噪聲主要表現(xiàn)為前端PGA的輸入噪聲，后者取決于增益設(shè)置。如果信號(hào)太大，就會(huì)超出ADC輸入的量程。如果信號(hào)太小，就會(huì)在轉(zhuǎn)換器的量化噪聲中丟失。∑-? ADC往往用于需要較低系統(tǒng)更新速率的應(yīng)用。
對(duì)逐次逼近型ADC進(jìn)行過(guò)采樣以提高動(dòng)態(tài)范圍
提高逐次逼近型ADC動(dòng)態(tài)范圍的方法之一是實(shí)施過(guò)采樣，即以遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率的速率完成輸入信號(hào)的采樣過(guò)程。一般說(shuō)來(lái)，采樣頻率每增加一倍，噪聲性能就會(huì)提升約3 dB（如圖2所示）。過(guò)采樣可通過(guò)后處理技術(shù)以數(shù)字形式完成。有些ADC （如 AD7606, 具有可編程過(guò)采樣率，最終用戶可以選擇合適的過(guò)采樣率。
圖2. 通過(guò)過(guò)采樣減少噪聲
PGA功能與過(guò)采樣相結(jié)合
要實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)范圍，可以添加前端PGA級(jí)，從而提高極小信號(hào)輸入的有效信噪比(SNR)。假設(shè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍要求為126 dB以上，首先，計(jì)算出最小均方根噪聲，以實(shí)現(xiàn)該動(dòng)態(tài)范圍。例如，3 V的輸入范圍(6 V p-p)具有2.12 V的滿量程均方根值(6/2√2)。最大系統(tǒng)容許噪聲計(jì)算公式如下：
126 dB = 20 log (2.12 V/rms noise)
因此 rms 噪聲≈ 1 µV rms.
現(xiàn)在，考慮系統(tǒng)更新速率，系統(tǒng)更新速率決定了過(guò)采樣速率和系統(tǒng)所能容許的最大噪聲量（折合到輸入端(RTI)）。例如AD7985 16-bit, 2.5-MSPS PulSAR®是一款16位、2.5 MSPS PulSAR® ADC，當(dāng)該器件運(yùn)行于600 kSPS（功耗11 mW），過(guò)采樣率為72時(shí)，輸入信號(hào)限制在大約4 kHz帶寬內(nèi)。噪聲密度(ND)乘以√f即可得出總均方根噪聲，因此，最大容許輸入頻譜噪聲密度(ND)計(jì)算公式如下：
1 μV rms = ND × √4 kHz
或, ND = 15.5 nV/√Hz
從RTI系統(tǒng)輸入噪聲的這一品質(zhì)因數(shù)來(lái)看，可以選擇適當(dāng)?shù)膬x表放大器來(lái)提供足夠的模擬前端增益（與ADC的信噪比相加并具有相關(guān)過(guò)采樣時(shí)），從而實(shí)現(xiàn)所需的126 dB。AD7985的典型信噪比值為89 dB，72倍過(guò)采樣會(huì)進(jìn)一步將信噪比增加約18 dB（72 接近26，相當(dāng)于每倍增一次增加3 dB）。要實(shí)現(xiàn)126 dB的動(dòng)態(tài)范圍，還需要再增加20 dB，這可以通過(guò)模擬PGA級(jí)的增益來(lái)提供。儀表放大器必須提供≥20的增益（或至少不能超過(guò)15.5 nV/√Hz的噪聲密度指標(biāo)）。AD8253是很好的選擇，它是一款10 MHz、20 V/µs、G = 1、10、100的1000iCMOS®可編程增益儀表放大器，具有低噪聲、10 nV/√Hz輸入級(jí)，增益為100，滿足所需帶寬，如圖3所示。
圖3. AD8253儀表放大器：框圖和噪聲頻譜密度
圖4所示為采用前端PGA增益和ADC過(guò)采樣的系統(tǒng)級(jí)解決方案。AD8021是一款2.1 nV/√Hz的低噪聲高速放大器，能夠驅(qū)動(dòng)AD7985，還可以偏置或衰減AD8253的輸出。AD8253和AD8021都采用外部共模偏置電壓工作，可共同確保ADC的輸入具有相同的共模電壓。
圖4. 低噪聲寬帶模擬前端.
由于整個(gè)系統(tǒng)的噪聲預(yù)算為最大15 nV/√Hz折合到輸入端 (RTI),必要計(jì)算每個(gè)模塊的主要噪聲源，確保不會(huì)超過(guò)15 nV/√Hz的強(qiáng)制限幅。AD8021折合到輸入端的噪聲值小于3 nV/√Hz，當(dāng)折合到增益為100的AD8253級(jí)的輸入端時(shí)可忽略不計(jì)。AD7985的額定信噪比為89 dB，采用外部4.5 V基準(zhǔn)電壓源，適用的噪聲分辨率小于45 μV rms。假設(shè)ADC的奈奎斯特帶寬為300 kHz，在該帶寬范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生約83 nV/√Hz的噪聲。折合到AD7985輸入端時(shí)，其小于1 nV/√Hz的噪聲在系統(tǒng)中可忽略不計(jì)，因?yàn)槠渲械腞TI噪聲源是用平方和的平方根計(jì)算方法相加的。
采用AD8253的另一個(gè)好處是具有數(shù)字增益控制，可使系統(tǒng)增益進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化以響應(yīng)輸入變化。這一功能可通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理能力智能化實(shí)現(xiàn)。
在該應(yīng)用中，數(shù)字處理的主要功能是利用AD7985 16位轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生高分辨率輸出。該功能通過(guò)自動(dòng)抽取數(shù)據(jù)和切換模擬輸入增益實(shí)現(xiàn)（具體取決于輸入幅度）。這種過(guò)采樣產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)速率低于ADC采樣速率，但是動(dòng)態(tài)范圍大大增加。
要對(duì)該應(yīng)用的數(shù)字端進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)作為數(shù)字內(nèi)核。為了快速調(diào)試系統(tǒng)，模擬電路和FPGA整合到了一塊電路板上，如圖5所示，采用了 系統(tǒng)演示平臺(tái) (SDP) 連接器標(biāo)準(zhǔn)，可以輕松通過(guò)USB連接到PC。SDP結(jié)合了可重復(fù)使用的硬件和軟件，可以通過(guò)最常用的器件接口輕松控制硬件并從中捕捉數(shù)據(jù)。
圖5. 在包含F(xiàn)PGA、SDP和PC的系統(tǒng)中采用模擬前端(AFE)
基本控制流如下：
● 先上電，然后校零。將AD8253的差分模擬輸入端對(duì)地短接，每次增益設(shè)置時(shí)進(jìn)行AD7985轉(zhuǎn)換。存儲(chǔ)ADC值，以供稍后使用。
● 校準(zhǔn)完成后，F(xiàn)PGA以預(yù)設(shè)速率向AD7985發(fā)出一個(gè)周期轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)，本例中約為600 kSPS。每個(gè)ADC結(jié)果都讀入FPGA，并同時(shí)傳遞至抽取和增益模塊。
● 增益模塊檢查當(dāng)前的ADC結(jié)果、之前的ADC結(jié)果和當(dāng)前的增益設(shè)置，然后確定對(duì)下一次ADC轉(zhuǎn)換最合適的增益設(shè)置。下面將詳細(xì)介紹這一過(guò)程。
● 抽取模塊處理每個(gè)ADC樣本及其當(dāng)前PGA增益設(shè)置，以及之前存儲(chǔ)的校準(zhǔn)值。收到72個(gè)ADC樣本后，23位輸出結(jié)果就是72個(gè)樣本的平均值，其中考慮了失調(diào)和增益。
● 然后，該23位結(jié)果會(huì)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制補(bǔ)碼，以兼容Blackfin串口(SPORT)的格式從FPGA接收，并由SDP-B硬件捕捉。該過(guò)程每隔72個(gè)樣本采用新數(shù)據(jù)字重復(fù)進(jìn)行。
FPGA中采用的兩個(gè)主要模塊是抽取器和增益計(jì)算器。下面將詳細(xì)介紹每個(gè)模塊。
抽取器
該模塊具有內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，可以管理一些連續(xù)的數(shù)據(jù)處理步驟：
每個(gè)AD7985樣本都?xì)w一化為相同的比例。例如：AD7985輸入4 mV，基準(zhǔn)電壓4.5 V，得出代碼(4 mV/4.5 V × 65535) = 58，G = 1。G = 100時(shí)，ADC輸入端獲得電壓為400 mV，得出輸出代碼為5825。對(duì)模擬前端增益(AFE)為1的ADC樣本而言，當(dāng)AFE增益為100時(shí)，樣本必須乘以100，以抵消比例影響。這樣就能保證這些樣本能夠正確求得平均值且合理抽取，而不受AFE增益設(shè)置的影響。
抽取器功能就位后，就可以對(duì)模擬輸入進(jìn)行初始測(cè)試。
將輸入短接，系統(tǒng)就能在高增益直流模式下測(cè)試（如圖6所示）。
圖6. 輸入短接時(shí)的系統(tǒng)高增益直流模式噪聲測(cè)試
結(jié)果顯示，p-p噪聲為6位，均方根噪聲出色，為0.654 µV rms（0.84 LSB，16位）。2.12 V均方根滿量程范圍時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算公式如下：
DR = 20 log10(FS/rms noise) = ~130 dB
因此，系統(tǒng)很容易滿足有關(guān)噪聲的動(dòng)態(tài)范圍目標(biāo)。采用50 mV p-p交流模擬輸入進(jìn)行測(cè)試時(shí)，頻域出現(xiàn)重大失真（如圖7所示）。這一特定輸入幅度突出表明了系統(tǒng)的最差情況——即交流輸入幅度略大于增益 為100的模式所處理的范圍，而且系統(tǒng)經(jīng)常在兩種模式之間切換。選擇增益閾值也會(huì)加重這一范圍切換效應(yīng)問(wèn)題，詳見(jiàn)下文所述。每個(gè)增益模式失調(diào)之間的不匹配會(huì)以總諧波失真形式顯示出來(lái)，因?yàn)橛?jì)算出的輸出碼的跳變幅度為每個(gè)范圍中各失調(diào)之差。
圖7. 無(wú)校準(zhǔn)時(shí)的最差情況輸入幅度
只要通過(guò)校準(zhǔn)消除每個(gè)增益范圍的零失調(diào)，就會(huì)明顯減少信號(hào)失真。實(shí)際上，單憑校準(zhǔn)就可以減少約50 dB的諧波，如圖8所示。即使輸入音處于最差情況，諧波也可以減少至–110 dB滿量程水平。
圖8. 無(wú)校準(zhǔn)時(shí)的最差情況輸入幅度
校準(zhǔn)后的失調(diào)從歸一化的樣本中去除。由于兩種增益設(shè)置時(shí)都進(jìn)行了校準(zhǔn)，去除的失調(diào)取決于ADC采樣時(shí)的增益。
經(jīng)過(guò)歸一化和失調(diào)校準(zhǔn)后的樣本添加至累加器寄存器，累加器寄存器上電時(shí)可復(fù)位，每次接收72個(gè)樣本。72個(gè)樣本接收完成且添加至累加器后，總和傳遞至除法器，除法器將累加器中的值除以72，產(chǎn)生一個(gè)23位的平均值。此時(shí)會(huì)設(shè)置輸出標(biāo)志，說(shuō)明除法完成，新的結(jié)果已就緒。
增益設(shè)置
該模塊根據(jù)當(dāng)前的增益設(shè)置、兩個(gè)原始ADC樣本和一些硬編碼閾值來(lái)輸出新的增益設(shè)置。系統(tǒng)采用四個(gè)閾值；這些閾值的選擇對(duì)最大限度地增加系統(tǒng)的模擬輸入范圍至關(guān)重要，保證G = 100模式用于盡可能多的信號(hào)范圍，同時(shí)防止超過(guò)ADC輸入的量程。注意，該增益模塊的運(yùn)行基于每個(gè)原始ADC結(jié)果，而非經(jīng)過(guò)歸一化的數(shù)據(jù)。記住這一點(diǎn)后，下面將舉例說(shuō)明可用于此類(lèi)系統(tǒng)的一些閾值（假設(shè)為雙極性系統(tǒng)，中量程為0）：
T1（正下閾值）：+162（高于中量程162個(gè)代碼）
T2（負(fù)下閾值）：-162（低于中量程162個(gè)代碼）
T3（正上閾值）：+32507（低于正滿量程260個(gè)代碼）
T4（負(fù)上閾值）：–32508（高于負(fù)滿量程260個(gè)代碼）
處于G = 1模式時(shí)，采用內(nèi)限值T1和T2。當(dāng)實(shí)際ADC結(jié)果處于T1和T2之間時(shí)，增益切換至G = 100模式。這樣可以確保ADC接收到的模擬輸入電壓盡快最大化。
處于G = 100模式時(shí)，采用外限值T3和T4。如果ADC結(jié)果預(yù)計(jì)高于T3或低于T4，增益就會(huì)切換至G = 1模式，以防止超出ADC輸入的量程（如圖9所示）。
圖9. 當(dāng)ADC輸入預(yù)計(jì)位于閾值限值以外時(shí)，從放大器輸入到轉(zhuǎn)換器輸入的增益減少100（藍(lán)線：放大器輸入；紅線：轉(zhuǎn)換器輸入。）
當(dāng)處于G = 100模式時(shí)，如果算法預(yù)測(cè)下一個(gè)ADC樣本剛好落在外閾值以外（采用非常基本的線性預(yù)測(cè)），產(chǎn)生的ADC結(jié)果為+32510，增益就會(huì)切換到G = 1，下一個(gè)ADC輸出結(jié)果就不是+32510，而是+325。
在類(lèi)似的系統(tǒng)中，要想防止震顫(閾值附近快速反復(fù)的增益切換), 則須使用遲滯 (100至1和1至100切換電平的分離) 它對(duì)確定正確的閾值限值十分重要。在本例采用的實(shí)際限值的計(jì)算中，設(shè)置了明顯的遲滯。如果系統(tǒng)從高增益(G = 100)模式切換到低增益(G = 1)模式，系統(tǒng)的模擬輸入電壓就必須減少約50%才能返回到高增益模式。
整個(gè)系統(tǒng)的性能
獲得充分優(yōu)化的增益和抽取算法后，整個(gè)系統(tǒng)就準(zhǔn)備就緒，可以開(kāi)始測(cè)試。圖10顯示了系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行在1 kHz下的–0.5 dBFS大信號(hào)輸入音作出的響應(yīng)。將100的PGA增益考慮在內(nèi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍為127 dB。
圖10. 對(duì)大量程1 kHz信號(hào)的響應(yīng)
與此類(lèi)似，當(dāng)針對(duì)圖11中的小信號(hào)輸入進(jìn)行測(cè)試，且輸入音在–46.5 dBFS下為70 Hz時(shí)，實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)129 dB。較小輸入音的性能有望得到提升，因?yàn)樵摐y(cè)量過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生增益范圍的有源切換。
圖11. 70 Hz時(shí)對(duì)小量程輸入信號(hào)的響應(yīng)
結(jié)束語(yǔ)
系統(tǒng)的性能取決于其能否動(dòng)態(tài)地切換增益以處理大小兩種信號(hào)輸入。∑-?技術(shù)能夠提供出色的動(dòng)態(tài)范圍，而逼近型解決方案則可以根據(jù)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)改變前端增益，不會(huì)影響系統(tǒng)的性能。小信號(hào)和大信號(hào)交流和直流輸入都可以實(shí)時(shí)測(cè)量，無(wú)需等待系統(tǒng)建立時(shí)間，也不會(huì)由于延遲增益改變而產(chǎn)生較大的突波。
系統(tǒng)的關(guān)鍵是結(jié)合ADC過(guò)采樣技術(shù)與預(yù)見(jiàn)性增益設(shè)置算法。如何處理輸入信號(hào)的壓擺率對(duì)于增益算法至關(guān)重要。輸入壓擺率較高時(shí)，可能需要定制增益設(shè)置，以便當(dāng)信號(hào)接近可能超出ADC輸入量程的電平時(shí)，快速做出響應(yīng)。這一要求可以通過(guò)縮小閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者用多個(gè)樣本取代兩個(gè)樣本，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行更復(fù)雜的預(yù)測(cè)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)，如本例所述。反之，在輸入壓擺率極低的系統(tǒng)中，可以擴(kuò)大閾值，從而更好地使用高增益模式，而不會(huì)超出ADC輸入量程。
雖然本文介紹的是AD7985 ADC，但所用的技術(shù)同樣適用于ADI公司的其他高速轉(zhuǎn)換器。采用更快的ADC采樣速率后，最終用戶可以將增加的輸入帶寬和更快的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾拥倪^(guò)采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍。
如果采用AD8253 VGA的額外增益范圍，而不僅僅是G = 1和G = 100，可以進(jìn)一步減小增益變化的影響。在本文所述的示例中，增益切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量的失真。但是，如果采用G= 10的范圍，對(duì)采用額外校準(zhǔn)點(diǎn)的三步進(jìn)增益而言，可能會(huì)實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)THD參數(shù)。
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