模擬前端處理的對(duì)象是信號(hào)源給出的模擬信號(hào)，其主要功能通常包括信號(hào)放大、濾波、接收ADC和/或發(fā)送路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(DAC)等，對(duì)于特定應(yīng)用領(lǐng)域可能還包括頻率變換或者調(diào)制解調(diào)等其他功能。而放大器和ADC是此類應(yīng)用中最重要的兩個(gè)模塊，特別是常見的傳感器信號(hào)處理模擬前端。

 

那么典型的模擬前端電路應(yīng)當(dāng)如何設(shè)計(jì)呢？本文從高性能模擬技術(shù)提供商ADI公司的一款典型電磁流量計(jì)案例為例進(jìn)行應(yīng)用分析，該應(yīng)用中就涉及到最典型的傳感器信號(hào)采集處理，對(duì)常見的模擬前端設(shè)計(jì)具有參考意義。

 

過采樣法簡化模擬前端架構(gòu)

 

電磁流量計(jì)是目前使用最為廣泛的流量技術(shù)之一，主要用于液體流量測量，重點(diǎn)是自來水與污水處理系統(tǒng)。電磁流量計(jì)的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律——當(dāng)導(dǎo)電流體流經(jīng)傳感器的磁場時(shí)，一對(duì)電極之間就會(huì)產(chǎn)生與體積流量成正比的電動(dòng)勢，因而通過測量該電勢實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的判斷，其主要的發(fā)展趨勢是減少PCB面積和提升性能。

 

針對(duì)其模擬前端，傳統(tǒng)方法大致上是模擬式——具有高輸入阻抗和高輸入共模抑制性能的前置放大器用來應(yīng)對(duì)傳感器漏電流效應(yīng)，然后是三階或四階模擬帶通濾波器和采樣保持級(jí)，最后是模數(shù)轉(zhuǎn)換。如下圖所示，傳感器輸出信號(hào)首先經(jīng)由儀表放大器放大。必須盡量放大目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)要避免不需要的直流共模電壓引起放大器輸出飽和。這通常會(huì)將第一級(jí)儀表放大器的增益限制在最多10 倍。帶通濾波器級(jí)進(jìn)一步消除直流影響，并再次放大信號(hào)，然后進(jìn)入采樣保持電路——正是這個(gè)差值信號(hào)代表流速——隨后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 

 

傳統(tǒng)模擬前端方法

 

過采樣方法大大簡化了模擬前端設(shè)計(jì)。模擬帶通濾波器和采樣保持電路不再需要。電路中的前置放大器僅有一級(jí)儀表放大器——在我們的例子中是AD8220 JFET 輸入級(jí)軌到軌輸出儀表放大器，它可以直接連接到高速Σ-Δ 型轉(zhuǎn)換器。

 

采用AD8220 和AD717x-x 的過采樣架構(gòu)模擬前端

 

影響模擬前端設(shè)計(jì)的幾大關(guān)鍵因素解析

 

Ø  放大器

 

第一級(jí)放大器有幾項(xiàng)關(guān)健要求。一個(gè)要求是共模抑制比 (CMRR)。在電磁流量計(jì)應(yīng)用中，電極的金屬材料與電解質(zhì)液體接觸。液體電解質(zhì)與電極之間的摩擦?xí)a(chǎn)生較高頻率的交流共模電壓。雖然幅度通常很小，但交流共模表現(xiàn)為完全隨機(jī)的噪聲，更難抑制。這就要求前置放大器不僅具有良好的直流共模抑制比，而且要有出色的較高頻率共模抑制比。AD8220 放大器在直流到5 千赫茲范圍內(nèi)具有出色的共模抑制比。對(duì)于AD8220 B 級(jí)，直流到60 赫茲范圍的最小共模抑制比為100 dB，5 千赫茲以下為90 dB，能夠很好地將共模電壓和噪聲抑制到微伏水平。當(dāng)共模抑制比為120 dB 時(shí)，0.1 伏峰峰值降低到0.1 微伏峰峰值。

 

前置放大器的共模抑制

 

前置放大器級(jí)的低漏電流和高輸入阻抗是又一重要參數(shù)。放大器的高輸入阻抗可防止傳感器輸出過載，避免信號(hào)幅度減小。放大器的漏電流應(yīng)足夠低，這樣當(dāng)它流經(jīng)傳感器時(shí)，不會(huì)成為一個(gè)顯著的誤差源。AD8220 的最大輸入偏置電流為10 pA，輸入阻抗為1013Ω，因此它能支持電磁流量傳感器的廣泛輸出特性。最后，0.1 赫茲至10 赫茲范圍的1/f 噪聲設(shè)置應(yīng)用的噪底。當(dāng)增益配置為10 時(shí)，AD8220 折合到輸入端的電壓噪聲約為 0.94 μV p-p，它能分辨6 毫米/秒的瞬時(shí)流速和小于1 毫米/秒的累計(jì)流速。

 

Ø  ADC

過采樣方法既帶來了挑戰(zhàn)，也對(duì)ADC 模塊提出了更高的性能要求。由于沒有后級(jí)模擬濾波器有源增益級(jí)，所以僅有一小部分的ADC 輸入范圍獲得使用。過采樣和平均本身不等于性能的顯著提高，因?yàn)楦鱾鞲衅髦芷谛枰耆⑾聛聿拍苡糜诹髁坑?jì)算。此外，需要從這些有限的數(shù)據(jù)點(diǎn)獲得足夠多的模數(shù)轉(zhuǎn)換樣本，從而在固件處理過程中消除意外毛刺。

 

模擬前端和ADC 的噪聲預(yù)算

 

過采樣架構(gòu)一般要求ADC 數(shù)據(jù)速率大于20 kSPS，越快越好。 這與實(shí)際流量測量沒有明確關(guān)系。由于不存在模擬帶通濾波 器，ADC 輸入端會(huì)直接看到傳感器原始輸出。這種情況下， 傳感器的上升沿未經(jīng)濾波，因此ADC 在上升沿和下降沿期間 須具有足夠高的分辨率，以便足夠準(zhǔn)確地捕捉這些邊沿。

 

流量計(jì)的精度本身可通過瞬時(shí)流量測量或累計(jì)流量測量來確定。流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用累計(jì)流量技術(shù) — 測量長時(shí)間（比如30 或60 秒）內(nèi)某一水量的平均流量。通過這種測量（而非瞬時(shí) 流量測量）可確定系統(tǒng)精度為±0.2%。瞬時(shí)流量適合需要實(shí)時(shí)流速的應(yīng)用場合。它對(duì)電子器件的精度要求要高得多。理論上，為了分辨5 毫米/秒的瞬時(shí)流量，ADC 需要在一個(gè)激勵(lì)周期（約600樣本的后置FIR濾波器）內(nèi)實(shí)現(xiàn)20.7 位的峰值分辨率。這可通過模擬前端來實(shí)現(xiàn)。

 

我們的方案中采用的是ADI公司低噪聲、多路復(fù)用Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7172-2，該ADC提供低輸入噪聲和高采樣速度的完美組合，特別適合電磁流量應(yīng)用。采用2.5 V 外部基準(zhǔn)電壓源時(shí)，AD7172-2 的典型噪聲低至0.47μV p-p。這意味著，最終流量結(jié)果的刷新速率可以達(dá)到50 SPS，而不需要增加外部放大級(jí)。

 

本文總結(jié)：

 

本文僅提供了一個(gè)一般的應(yīng)用場景下的模擬前端設(shè)計(jì)參考思路，根據(jù)傳感器具體類型和待測電壓/電流幅度的不同，不同的模擬前端電路設(shè)計(jì)會(huì)面臨各種的挑戰(zhàn)，例如：信號(hào)可能需要放大或衰減，從而匹配模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的滿量程輸入范圍，以供進(jìn)一步的數(shù)字處理和反饋控制；而在典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要衰減的信號(hào)與需要放大的信號(hào)會(huì)分別通過不同的信號(hào)路徑進(jìn)行處理，這些不同路徑放大器往往不能提供許多工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用所需的高直流精度和溫度穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，從而大量占用電路板空間。在具體的應(yīng)用中需要結(jié)合應(yīng)用場景的具體要求進(jìn)行電路調(diào)整和優(yōu)化。