При проектуванні з аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) легко помилково повірити, що зменшення вхідного сигналу для досягнення повномасштабного діапазону АЦП призведе до значного зменшення відношення сигнал / шум (SNR ).
Особливо стурбовані цим системні дизайнери, яким потрібно мати справу з широкими коливаннями напруги. Крім того, в порівнянні з АЦП, що живляться від вищих напруг, АЦП, що живляться від низьких напруг (5 В або нижче), є більш різноманітними.
Більш висока напруга живлення зазвичай призводить до більшого споживання енергії та ускладнення компонування друкованих плат (наприклад, потрібно більше роз'єднуючих конденсаторів).
Багато сигналів, що генеруються датчиками або системами, є біполярними сигналами високої напруги (наприклад, широко використовуваний сигнал ± 10 В). Однак існує безліч простих способів передачі цього сигналу через АЦП; також можуть бути використані різні інтегровані високовольтні рішення АЦП: він може обробляти цей великий повномасштабний вхідний сигнал, не жертвуючи SNR. Ці рішення вимагають дуже високої напруги живлення, щоб задовольнити вимоги до вхідного діапазону, і їх споживання енергії також досить велике (Рисунок 1). Ці високовольтні АЦП також звужують вибір рішень для підготовки сигналу (операційного підсилювача). Якщо сигнал потрібно мультиплексувати за допомогою комбінації високовольтних і низьковольтних входів, вартість системи значно зросте (рис. 2).
Ви також можете використовувати вхідний підсилювач для масштабування сигналу відповідно до повномасштабного вхідного діапазону низьковольтного АЦП. Цю схему кондиціонування сигналу можна підключити до мультиплексованого входу, щоб усі сигнали могли відповідати діапазону АЦП (рис. 3).
При використанні підсилювача для масштабування напруги сигналу шум посилається на вхід підсилювача. На даний момент існує два основних джерела шуму: вхідний опорний шум самого підсилювача та зменшений вхідний опорний шум АЦП. Ці два джерела шуму поєднані в квадратичному виразі. Крім того, шум підсилювача також фільтрується через вхідну смугу пропускання АЦП та фільтр згладжування між підсилювачем та входом АЦП, див. Рисунок 4.
Малюнок 4: Підсилювач масштабування вносить шум, але шум фільтрується через схему RC та вхідну мережу АЦП.
Формула розрахунку SNR системи (вхідний термінал підсилювача) має вигляд:
Де: VnADC - вхідний середньоквадратичний шум АЦП; VnOPA - це вхідний опорний шум підсилювача (X вдвічі більше вихідного опорного) = однополюсна -3 дБ частота.
Враховуючи повномасштабний діапазон АЦП, опорний шум вхідного сигналу АЦП та коефіцієнт масштабування підсилювача, є дві змінні, які впливатимуть на мету зменшення втрат SNR: частота зрізу фільтра та вхідний опорний шум підсилювача.
Якщо джерело сигналу має низькочастотні компоненти, фільтр може бути спроектований таким чином, щоб підсилювач міг переносити більший вхідний шум (більший вхідний шум, як правило, пов'язаний з меншим споживанням енергії та вартістю). Якщо АЦП обмежує пропускну здатність системи, підсилювач повинен мати достатньо низький вхідний опорний шум для контролю втрат SNR у прийнятному діапазоні.
Наприклад, з урахуванням вхідного сигналу ± 10В та повномасштабного АЦП 5VP-P із SNR 92 дБ, коефіцієнт масштабування (відношення вхідного сигналу до повномасштабного діапазону) дорівнює 4. Опорний шум вхідного АЦП у технічний паспорт - 44.4 нВ середньоквадратичне значення. Якщо припустити, що гранична частота фільтра становить 10 кГц, а вхідний опорний шум підсилювача - 10 нВ / (Гц) 1/2, втрата SNR становить: SNR (втрата) = 0.035 дБ.
Якщо фільтра немає, а пропускна здатність АЦП становить 10 МГц, для досягнення тієї ж втрати SNR необхідний вхідний опорний шум стає 0.3 нВ / (Гц) 1/2. Ця вимога дуже сувора.
Для АЦП з однаковою пропускною здатністю 10 МГц, якщо SNR (втрата) = 0.5 дБ, вимога до шуму підсилювача становить 4 нВ / (Гц) 1/2, що порівняно легко реалізувати.
Отже, якщо вказана пропускна здатність системи та допустимі втрати SNR, додавання пропорційного підсилювача для перетворення високовольтного сигналу в низьковольтний АЦП у повномасштабному діапазоні буде цілком можливим рішенням. При подачі кількох сигналів з різною амплітудою коливання в мультиплексований низьковольтний АЦП це рішення може забезпечити економічну систему.
Наш інший продукт:
