為什么使用24位轉(zhuǎn)換器通常是更好的方案

在涉及到溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、工業(yè)流程控制的便攜式醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，12 位轉(zhuǎn)換器足以成為我們理想的選擇。但是，如果考慮到整個(gè)多傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，那么 24 位轉(zhuǎn)換器可能是更加經(jīng)濟(jì)高效的選擇，本文將解釋其中的原因。

開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常著手開(kāi)發(fā) 12 位系統(tǒng)，首先從 12 位轉(zhuǎn)換器開(kāi)始，然后開(kāi)發(fā)前端模擬鏈。但是，由于前端電路涉及到多個(gè)放大器，因而會(huì)增加設(shè)計(jì)時(shí)間、空間和復(fù)雜性，最終提高整體成本。

我們可以采用更好的方法。本文簡(jiǎn)要討論了如何使用 8 通道 24 位轉(zhuǎn)換器來(lái)取代所有 12 位信號(hào)鏈。我們將使用Analog Devices的AD7124-8BCPZ-RL78 通道、低噪聲、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 作為示例。

典型 12 位多傳感器設(shè)計(jì)

在開(kāi)發(fā)便攜式感應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先確定他們需要 12 位、14 位還是 16 位系統(tǒng)，然后著手開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)。設(shè)計(jì)工作從前端模擬鏈和相應(yīng)的逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 開(kāi)始。

我們可能發(fā)現(xiàn)一些系統(tǒng)集成了多個(gè)傳感器，這是非常合理的現(xiàn)象?；颊弑O(jiān)護(hù)儀就是很好的例子，它用于收集溫度、體重、血氧和語(yǔ)言能力狀態(tài)（圖 1）。

圖 1： 帶有錄音器的患者監(jiān)護(hù)儀是多傳感器系統(tǒng)的很好例子。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

常見(jiàn)的 12 位感應(yīng)系統(tǒng)執(zhí)行高壓側(cè)或低壓側(cè)系統(tǒng)電流測(cè)量。在此類(lèi)系統(tǒng)中，我們使用低阻值電阻器 (RSHUNT)，通過(guò)將電流轉(zhuǎn)換為電壓來(lái)感應(yīng)系統(tǒng)電流（圖 2）。該圖顯示了標(biāo)準(zhǔn)高壓側(cè)電流感應(yīng)電路，該電路使用 SAR-ADC，最終將系統(tǒng)的電流轉(zhuǎn)換為可用的數(shù)字值。

圖 2： 典型 12 位高壓側(cè)電流感應(yīng)電路顯示了 SAR-ADC，它將 RSHUNT感應(yīng)的電流轉(zhuǎn)換為可用的數(shù)字值。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

在圖 2 中，低阻值分流電阻器與儀表放大器 (InAmp) 連接，該放大器能夠感應(yīng)接近電源電壓值的電壓。InAmp 的輸出在 0 至 100 毫伏 (mV) 范圍內(nèi)。對(duì)于 12 位系統(tǒng)，此處的最低有效位 (LSB) 大小為 24.4 毫伏 (mV)。然后，兩個(gè)放大器為此信號(hào)提供增益，二者均為 -10 V/V。在電路中的這個(gè)位置，信號(hào)的輸出范圍為 0 至 10 伏特。隨后，信號(hào)進(jìn)入全差分放大器 (FDA)。該放大器適當(dāng)?shù)貫?SAR-ADC 差分輸入引腳提供差分輸出，LSB 大小為 1.22 mV。

下面的成本分析將使用 1000 件價(jià)格估算?；氐綀D 2 中的前端，InAmp 器件是一種專(zhuān)業(yè)器件，因?yàn)樗軌蚓_地感應(yīng)電源附近的小輸入信號(hào)。這部分電路的弊端是 RSHUNT必須盡可能低，試圖讓負(fù)載的電源盡可能保持恒定。對(duì)于這種類(lèi)型的專(zhuān)業(yè)器件，成本估算為大約 3 美元。

在 InAmp 后面，還有兩個(gè)運(yùn)算放大器 (OpAmp)。兩個(gè)運(yùn)算放大器都是雙配置的一部分。這些放大器必須具有較低的輸入偏置電流、補(bǔ)償電壓和噪聲。當(dāng)信號(hào)進(jìn)入 SAR-ADC 時(shí)，輸入偏置電流和補(bǔ)償電壓將增加失調(diào)誤差。高放大器噪聲將影響信號(hào)鏈的信噪比 (SNR)。對(duì)于這種類(lèi)型的雙放大器，成本估算為大約 2 美元。

FDA 接收運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)。FDA 的功能是將單端信號(hào)變成差分輸出，將滿(mǎn)量程范圍乘以 0.4 V/V，讓電平位移達(dá)到 2.5 伏特。對(duì)于 FDA，成本估算為大約 2 美元。

最后，SAR-ADC 接收 FDA 的差分信號(hào)。此應(yīng)用電路測(cè)量流經(jīng)負(fù)載的電流。該高壓側(cè)電流傳感器電路要求不超過(guò) 12 位的轉(zhuǎn)換結(jié)果粒度。在圖 2 中，12 位 SAR-ADC 的典型成本為大約 5 美元。

圖 2 中的前端電路涉及多個(gè)芯片，包括四個(gè)放大器，因而會(huì)增加設(shè)計(jì)時(shí)間、空間和復(fù)雜度，最終還會(huì)增加成本。在本例中，前端成本為大約 7 美元。

這個(gè)過(guò)程可在多個(gè)感應(yīng)電路上執(zhí)行，但本例將使用 Analog Devices 提供的 24 位三角積分 (∑?) 轉(zhuǎn)換器。

使用 24 位轉(zhuǎn)換器取代 12 位轉(zhuǎn)換器

我們可以采用更好的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖 2 所示的電路。SAR-ADC 功能需要信號(hào)調(diào)節(jié)電路、模擬多路復(fù)用器和放大器驅(qū)動(dòng)器。替代方法是將轉(zhuǎn)換器更換為 ∑?-ADC（圖 3）。

圖 3： 感應(yīng)電路方框圖：頂部框圖使用 SAR-ADC 作為轉(zhuǎn)換器。底部框圖使用 ∑-ADC 作為轉(zhuǎn)換器。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

圖 3 顯示了 SAR-ADC 和 ∑?-ADC 信號(hào)路徑之間的基本差異。SAR-ADC 信號(hào)路徑需要信號(hào)調(diào)節(jié)，為小傳感器信號(hào)做好準(zhǔn)備，以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)換器的輸入范圍?！?-ADC 信號(hào)路徑中的傳感器連接是直接連接到轉(zhuǎn)換器的輸入。

使用 ∑?-ADC 信號(hào)鏈，設(shè)計(jì)人員可以忘記模擬增益級(jí)，消除電平位移電路。該電路仍將繼續(xù)使用 InAmp，因?yàn)樗峁┝酸槍?duì)過(guò)壓事件的保護(hù)功能，但其他所有放大器都是不必要的（圖 4）。

圖 4： 使用 ∑?-ADC 的高壓側(cè)電流感測(cè)，顯示已更換的元件。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

對(duì)于以上系統(tǒng)，最令人關(guān)注的是 LSB 大小為 24.4 mV。出于精確度的原因，我們可將 LSB 大小除以二，結(jié)果為 12.2 mV。5 V 系統(tǒng)所需的位數(shù)的計(jì)算方式很簡(jiǎn)單：1.44*ln（滿(mǎn)量程范圍/LSB）。對(duì)于本電路，位數(shù)為 18.6，四舍五入為 19 位。

再?gòu)?qiáng)調(diào)一次，在這個(gè)成本分析中，我們使用了 1000 件價(jià)格估算?；氐綀D 4 的前端，我們?nèi)詫⑹褂?InAmp 器件。對(duì)于這種類(lèi)型的專(zhuān)業(yè)器件，典型成本仍為大約 3 美元。

在 InAmp 后面，無(wú)需再使用兩個(gè)放大器。這樣可以節(jié)省大約 2 美元。由于 ∑?-ADC 可通過(guò)數(shù)字方式執(zhí)行電平位移功能，因此也不再需要 FDA。這樣又可以節(jié)省大約 2 美元。

最后，SAR-ADC 接收 FDA 的差分信號(hào)。此應(yīng)用電路測(cè)量流經(jīng)負(fù)載的電流。該高壓側(cè)電流傳感器電路要求不超過(guò) 12 位的轉(zhuǎn)換結(jié)果粒度。再次參考圖 2，24 位 ∑?-ADC 的典型成本為大約 5.30 美元。

在圖 4 中，我們不再需要前端電路，這樣就降低了電路復(fù)雜性和成本。此電路中唯一剩余的模擬器件是 InAmp。在本例中，前端成本為大約 3 美元。

∑?-ADC 的全面功能

此信號(hào)已進(jìn)入 24 位系統(tǒng)，沒(méi)有增益。在這個(gè) 24 位系統(tǒng)中，LSB 大小相當(dāng)于 12 位系統(tǒng)具有 4098 的增益（圖 5）。

圖 5： 在這個(gè) 24 位系統(tǒng)中，LSB 大小相當(dāng)于 12 位系統(tǒng)具有 4098 的增益。（圖片來(lái)源： Digi-Key Electronics）

雖然特定傳感器的 ∑?-ADC 的輸入范圍很小，但轉(zhuǎn)換器能夠?yàn)樗袀鞲衅鳟a(chǎn)生 12 位的分辨率，而且沒(méi)有信號(hào)調(diào)節(jié)階段。

現(xiàn)在我們通過(guò)實(shí)例描述這種方法。一旦找到滿(mǎn)量程范圍為 5 V 的 24 位 ∑?-ADC，設(shè)計(jì)人員將有機(jī)會(huì)不再使用一些信號(hào)鏈元件。如果進(jìn)一步采用這種方法，他們可以使用帶有內(nèi)部可編程增益放大器 (PGA) 的 ∑?-ADC，允許在 ∑?-ADC 內(nèi)部添加模擬信號(hào)鏈元件（圖 6）。

圖 6： AD7124-8 24 位 ∑?-ADC，帶有 4/16 個(gè)輸入引腳。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

八個(gè)差分輸入的 AD7124-8 24 位 ∑?-ADC 是一種低噪聲解決方案，包含可編程增益（1 至 128）、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)和內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器。該器件非常適合消除圖 2 所示的繁雜模擬信號(hào)調(diào)節(jié)電路。

總結(jié)

本文簡(jiǎn)要論述了為什么使用 24 位轉(zhuǎn)換器來(lái)替代多個(gè) 12 位器件通常是更好的方案，以及如何降低多傳感器器件的模擬前端的成本和復(fù)雜性。

我們使用 Analog Devices 的 AD7124-8BCPZ-RL7 8 通道、低噪聲、低功耗 ∑? ADC 作為示例。有了該器件，我們不再需要 PGA 和電壓基準(zhǔn)。