Όταν σχεδιάζετε με μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (ADC), είναι εύκολο να πιστέψετε λανθασμένα ότι η μείωση του σήματος εισόδου για να καλύψει το εύρος πλήρους κλίμακας του ADC θα προκαλέσει σημαντική μείωση του λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR ).
Οι σχεδιαστές συστημάτων που πρέπει να αντιμετωπίσουν μεγάλες διακυμάνσεις τάσης ανησυχούν ιδιαίτερα για αυτό. Επιπλέον, σε σύγκριση με τους ADC που τροφοδοτούνται από υψηλότερες τάσεις, οι ADC που τροφοδοτούνται από χαμηλές τάσεις (5 V ή χαμηλότερες) είναι πιο διαφορετικοί.
Η παροχή υψηλότερης τάσης συνήθως οδηγεί σε μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας και πιο περίπλοκη διάταξη πλακέτας κυκλώματος (για παράδειγμα, απαιτούνται περισσότεροι πυκνωτές αποσύνδεσης).
Πολλά σήματα που παράγονται από αισθητήρες ή συστήματα είναι διπολικά σήματα υψηλής τάσης (όπως το ευρέως χρησιμοποιούμενο σήμα ±10V). Ωστόσο, υπάρχουν πολλοί απλοί τρόποι για να περάσει αυτό το σήμα μέσω του ADC. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν διάφορες ολοκληρωμένες λύσεις ADC υψηλής τάσης: μπορεί να χειριστεί αυτό το μεγάλο σήμα εισόδου πλήρους κλίμακας χωρίς να θυσιάζει το SNR. Αυτές οι λύσεις απαιτούν πολύ υψηλή τάση τροφοδοσίας για να καλύψουν τις απαιτήσεις του εύρους εισόδου και η κατανάλωση ενέργειας είναι επίσης αρκετά μεγάλη (Εικόνα 1). Αυτά τα ADC υψηλής τάσης περιορίζουν επίσης την επιλογή λύσεων ρύθμισης σήματος (op amp). Εάν το σήμα πρέπει να πολυπλεξτεί με συνδυασμό εισόδων υψηλής και χαμηλής τάσης, το κόστος του συστήματος θα αυξηθεί σημαντικά (Εικόνα 2).
Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τον ενισχυτή εισόδου για να κλιμακώσετε το σήμα ώστε να ταιριάζει με το εύρος εισόδου πλήρους κλίμακας του ADC χαμηλής τάσης. Αυτό το κύκλωμα ρύθμισης σήματος μπορεί να συνδεθεί σε μια είσοδο πολυπλεξίας έτσι ώστε όλα τα σήματα να μπορούν να ευθυγραμμίζονται με την περιοχή ADC (Εικόνα 3).
Όταν χρησιμοποιείτε ενισχυτή για κλιμάκωση τάσης σήματος, ο θόρυβος αναφέρεται στην είσοδο του ενισχυτή. Αυτή τη στιγμή, υπάρχουν δύο κύριες πηγές θορύβου: ο θόρυβος αναφοράς εισόδου του ίδιου του ενισχυτή και ο μειωμένος θόρυβος αναφοράς εισόδου του ADC. Αυτές οι δύο πηγές θορύβου συνδυάζονται σε έναν τετραγωνικό όρο. Επιπλέον, ο θόρυβος του ενισχυτή φιλτράρεται επίσης από το εύρος ζώνης εισόδου του ADC και του φίλτρου κατά της παραμόρφωσης μεταξύ του ενισχυτή και της εισόδου ADC, βλέπε Εικόνα 4.
Εικόνα 4: Ο ενισχυτής ζουμ εισάγει θόρυβο, αλλά ο θόρυβος φιλτράρεται από το κύκλωμα RC και το δίκτυο εισόδου του ADC.
Ο τύπος υπολογισμού του συστήματος SNR (τερματικό εισόδου ενισχυτή) είναι:
Όπου: VnADC είναι ο θόρυβος εισόδου RMS του ADC. Το VnOPA είναι ο θόρυβος αναφοράς εισόδου του ενισχυτή (Χ φορές την αναφορά εισόδου) = μονοπολική συχνότητα -3dB.
Δεδομένου του εύρους πλήρους κλίμακας του ADC, του θορύβου αναφοράς εισόδου ADC και του παράγοντα κλίμακας του ενισχυτή, υπάρχουν δύο μεταβλητές που θα επηρεάσουν τον στόχο της μείωσης της απώλειας SNR: η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου και ο θόρυβος αναφοράς εισόδου του ενισχυτή.
Εάν η πηγή σήματος έχει εξαρτήματα χαμηλής συχνότητας, μπορεί να σχεδιαστεί ένα φίλτρο έτσι ώστε ο ενισχυτής να μπορεί να ανέχεται μεγαλύτερο θόρυβο εισόδου (ο υψηλότερος θόρυβος εισόδου συνήθως σχετίζεται με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και χαμηλότερο κόστος). Εάν το ADC περιορίζει το εύρος ζώνης του συστήματος, ο ενισχυτής πρέπει να έχει αρκετά χαμηλό θόρυβο αναφοράς εισόδου για να ελέγχει την απώλεια SNR εντός ενός αποδεκτού εύρους.
Για παράδειγμα, δεδομένου ενός σήματος εισόδου ±10V και ενός ADC πλήρους κλίμακας 5VP-P με SNR 92dB, ο συντελεστής κλίμακας (ο λόγος της εισόδου προς το εύρος πλήρους κλίμακας) είναι 4. Ο θόρυβος αναφοράς εισόδου ADC στο το φύλλο δεδομένων είναι 44.4 nV RMS. Αν υποθέσουμε ότι η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου είναι 10kHz και ο θόρυβος αναφοράς εισόδου του ενισχυτή είναι 10nV/ (Hz) 1/2, η απώλεια SNR είναι: SNR(απώλεια)=0.035dB.
Εάν δεν υπάρχει φίλτρο και το εύρος ζώνης ADC υποτίθεται ότι είναι 10 MHz, προκειμένου να επιτευχθεί η ίδια απώλεια SNR, ο απαιτούμενος θόρυβος αναφοράς εισόδου γίνεται 0.3nV/(Hz) 1/2. Αυτή η απαίτηση είναι πολύ αυστηρή.
Για ένα ADC με το ίδιο εύρος ζώνης 10 MHz, εάν επιτρέπεται SNR(απώλεια)=0.5dB, η απαίτηση θορύβου του ενισχυτή είναι 4nV/(Hz) 1/2, το οποίο είναι σχετικά εύκολο στην υλοποίηση.
Επομένως, εάν δοθεί το εύρος ζώνης του συστήματος και η επιτρεπόμενη απώλεια SNR, η προσθήκη ενός αναλογικού ενισχυτή για τη μετατροπή του σήματος υψηλής τάσης σε ADC χαμηλής τάσης στην περιοχή πλήρους κλίμακας θα είναι μια απολύτως εφικτή λύση. Όταν τροφοδοτούνται πολλαπλά σήματα με διαφορετικά πλάτη αιώρησης σε πολυπλεγμένο ADC χαμηλής τάσης, αυτή η λύση μπορεί να επιτύχει ένα οικονομικό σύστημα.
άλλο προϊόν μας:
