AN-1264: 高分辨率工业应用中的精密信号调理 (Rev. 0)

AN-1264
应用笔记
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高分辨率工业应用中的精密信号调理
作者:Gustavo Castro和Kristina Fortunado
简介
工业测量和控制系统通常需要在高噪声环境中与传感器对
本应用笔记介绍一款通用精密信号调理前端,可填补传感
接。由于传感器通常产生的电气信号极为微弱,将其输出
器和高分辨率ADC之间的空白。本文将对电路进行分析,
信号从噪声中提取出来是一项有难度的工作。利用信号调
以便了解其噪声贡献、环境噪声抑制以及执行高灵敏度测
理技术(如放大和滤波)有助于提取信号,因为这些技术可
量的能力。
提升系统的灵敏度。然后可对信号进行缩放与转换,以便
充分利用高性能ADC。
+15V
+5V
0.1µF
0.1µF
+15V
0.1µF
4.7kΩ
100pF
VIN+
10MΩ
1nF
4.7kΩ
33kΩ
20kΩ
RG
AD8421
VIN–
1kΩ
1.25kΩ
10MΩ
1.25kΩ
AD8510
REF
100pF
VOUT–
AD8475
0.01µF
0.1µF
–15V
1.25kΩ
0.068µF
20kΩ
1.25kΩ
VOUT+
1kΩ
0.1µF
–15V
ADC_REF
10kΩ
FILTER
ADC DRIVER
11795-001
IN-AMP AS DIFFERENTIAL FRONT END
10kΩ
图1. 精密信号调理电路原理图
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目录
简介...................................................................................................... 1
放大器噪声考虑因素 ....................................................................... 3
修订历史 ............................................................................................. 2
总系统性能......................................................................................... 5
精密信号调理电路描述................................................................... 3
结论 ..................................................................................................... 7
参考文献 ............................................................................................. 7
修订历史
2013年12月—修订版0:初始版
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精密信号调理电路描述
精密信号调理电路主要由3级组成:放大级、滤波级和
ADC驱动级。这些组件为电路提供灵活性。
放大在第一级中通过差分前端实现。首选差分输入,因为
其本身具备了噪声抑制特性,而环境噪声通常表现为共模
信号(例如,电源线噪声和接地环路)。第一级提供更宽的
输入范围、可调增益以及随增益而增加的高共模抑制比
(CMRR)。第二级使用了一个滤波器;ADC驱动在最后一
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级中实现。最后一级实现单端至差分的转换,以及输出信
号的转换与缩放,并将结果输入ADC。
图2. 精密信号调理电路板
精密信号调理电路的各级
精密信号调理电路的原理图如图1所示。该图第一部分显
放大器噪声考虑因素
示采用低噪声仪表放大器AD8421实现的放大功能,其输入
实际中,估算任何调理电路的预期噪声贡献可让用户计算
电压噪声密度为3 nV/√Hz。使用单位增益时,该放大器可让
系统的有效分辨率。注意,信号调理电路自身的有源器件
也会对电路贡献某种形式的噪声。
置不同的增益值。由于这款器件采用专利的引脚排列以及
例如,图3显示了AD8421折合到输入端的电压噪声密度图。
因此当增益为1000时,共模抑制能力将保证高于140 dB。前
端电路的输入端还包含一个RFI滤波器,防止高频噪声破
坏测量结果。
为了限制噪声带宽并避免混叠,采用低噪声JFET运算放大
器AD8510进行滤波,其电压噪声密度为8 nV/√Hz。图1的中
央部分显示该器件配置为2极点Sallen-Key滤波器,转折频
率为460 Hz。该滤波器仅允许目标频率通过,从而防止ADC
对混叠频率进行采样。来自AD8421的信号进入由两个20 kΩ
电阻组成的电阻分压器,以便该信号能缩放至ADC的输入
(采用2.5 V基准电压源)。使用此分压器以及配置为单位增益
1k
100
GAIN = 1
GAIN = 10
10
GAIN = 100
GAIN = 1000
1
1
10
100
1k
10k
100k
FREQUENCY (Hz)
的放大器,则滤波器级的总增益为0.5。
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经过仔细设计的架构,同时由于CMRR随增益增加而增加,
VOLTAGE NOISE SPECTRAL DENSITY (nV/√Hz)
系统具有94 dB以上的共模抑制能力。使用单个电阻即可设
图3. AD8421的电压噪声密度
AD8475是一款差分ADC驱动器,配置为增益0.4,如图1中
放大器噪声通常由1/f噪声和宽带噪声组成。随着频率的下
的最右边所示。它可执行单端至差分的转换,同时提供
降,1/f噪声表现为频谱密度的上升。此噪声通常对低频产
VOCM引脚,允许用户将输出信号转换为对ADC而言的最
生影响。低转折频率的放大器在接近直流的应用中噪声极
佳电平。本电路中,输出共模电平是用于ADC的一半基准
低。相反,宽带噪声在其余频段内的频谱密度不变。计算
电压。这样可以确保输入ADC的信号具有最大的动态范
应用中的总噪声贡献时,必须考虑工作带宽。对于AD8421
围。考虑到上一级的增益,则信号调理电路的输出增益为
而言,其转折频率为10 Hz。
0.2。在此衰减系数下,当ADC使用2.5 V基准电压时,可获
得±10 V可用输入范围。
从图3中可以看出,噪声还受增益的影响。仪表放大器的
输入和输出中都存在噪声分量。增益增加时,输出噪声分
量以增益为系数缩小,使折合到输入的总噪声降低。
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其他因素导致的噪声分量各自不相关。因此,电路的输出
然后,便可求解精密信号调理电路的预期总RSS噪声。
噪声可通过计算其平方和的平方根(称为RSS)求得(更多信息
噪声PSC
可参考技术文章MS-2066:传感器电路的低噪声信号调理)。
由于对电路的直流性能进行评估,因此来自放大器的噪声
贡献主要受1/f噪声影响。ADC还可消除宽带噪声,因此不
计入计算中。根据0.1 Hz至10 Hz噪声规格,对于每个放大器
而言,折合到输出(RTO)的噪声增量见表1。本节中的所有
表1. ADC驱动器精密信号调理电路的总预期噪声
器件
AD8421
AD8510
AD8475
1
典型噪声
(µV p-p)
2
2.4
2.5
增益指放大器输出到ADC输入的增益。
增益1
0.2
0.4
1
噪声RTO
(µV p-p)
0.4
0.96
2.5
将信号调理电路与低噪声模数转换器对接可测量此噪声。
AD7195是一款24位Σ-Δ型ADC,集成内部PGA。通过表征
2.5 V基准电压下的ADC,可以观察到10 Hz输出数据速率
(ODR)以及±19.5 mV输入电压范围下的噪声分布为63 nV p-p
(内部PGA增益设为128)。由于该数值比计算得到的2.7 µV p-p
前端噪声幅度低两个数量级,此噪声贡献可以忽略不计。
这一假设同样适用于实际设置中精密信号调理电路的噪声
验证。
图4显示单芯片评估板上信号调理电路与AD7195的对接。
为了测量系统噪声,将输入短路至地。由于噪声是随机噪
声,因此测量其峰峰值和均方根值;后者等于高斯分布的
标准差。评估板软件可收集这些测量的结果。
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分析均假定AD8421的增益状态为1。
噪声PSC
图4. 噪声评估设置
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图5. 10 Hz ODR时的噪声结果(内部PGA增益设为128)
噪声测量结果如图5所示。图中,ADC的内部PGA增益设
灵敏度
为128,ODR为10 Hz。图中可以观察到2.6 µV p-p的噪声测
噪声分析可用来确定系统的灵敏度。若在内部PGA增益为
量结果与2.7 µV p-p的计算值相关。考虑到估算数值时使用
的是典型规格数据,因此可以预期获得这样的性能。
1的情况下使用,则ADC噪声会影响系统噪声。预期噪声
值如表2所示。
表2. 不同采样速率下的预期噪声
总系统性能
性能。由于目标频段为0.1 Hz至10 Hz,因此需注意若要使计
输出数据
速率(Hz)
10
50
60
算得到的噪声值有效,采集时间应当为10秒。
1
系统灵敏度和有效分辨率由电路的内部噪声决定。使用精
密信号调理电路驱动AD7195时,噪声计算可用来预测系统
可测量极微弱信号的系统也应当能在有较大干扰信号的情
况下这样做,结果才有效。共模抑制可作为衡量这种能力
的品质因数,并且主要由电路前端部分决定。
前端
(µV p-p)
2.7
2.7
2.7
模数转换
器(µV p-p)
1.2
2.7
2.7
预期噪声1
(µV p-p)
3.0
3.8
3.8
10 Hz至50 Hz以及60 Hz范围内的宽带噪声可以忽略不计,
并且未纳入计算。
以10 Hz ODR为例,使用相应的配置,在实际设置中测量噪
声。如图6所示,3.0 µV p-p读数与计算值相关。
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图6. 10 Hz ODR时的噪声结果(内部PGA增益设为1)
采用10 Hz ODR时获得的数据,可以将最大计算噪声值折合
现在可以计算系统灵敏度了:
到系统的输入端,以得到其大致的灵敏度,即系统所能检
−
测的最小电压变化。由表2可知:
−
=
−
预期输出噪声
增益
输入范围为±125 mV时,系统灵敏度为160 nV p-p。它演示
了系统增益的增加如何使灵敏度增加。
−
无噪声分辨率
−
然后,就可以预测系统将能正确解析其输入端的15 µV电压
下列公式可以确定采用AD7195所能达到的无噪声分辨率:
变化。由于在增益1下使用AD8421,此结果适用于±12.5 V输
入范围。
无噪声分辨率
由于ADC使用了双极性输入,因此满量程范围为基准电压
显然,执行这些步骤后,灵敏度随着增益的增加而增加。
的两倍。将上式代入前面的公式可得:
考虑AD8421配置为增益100的情况。在该增益下,输入范
围为±125 mV,信号调理电路的总增益为20。增益为100时
无噪声分辨率
的AD8421峰峰值噪声为70 nV p-p。将此数据用于信号调理
无噪声分辨率也可表示为有效位数(ENOB),当AD8421配
电路的噪声计算中,则有:
置为单位增益时,ENOB为20.7位。当配置为增益100时,
噪声PSC
分辨率几乎不变,为20.6位。
噪声PSC
不同的采样速率和增益下的分析方法相同,采用该方法同
将来自ADC的1.2 µV p-p峰峰值噪声纳入计算中,则总预期
样可获得系统性能的估计值。这些测量结果可让人们了解
系统噪声为3.2 µV p-p。
该电路在所需应用中的性能。
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共模抑制
以衰减。这是因为其数字陷波滤波器可配置为线路频率等
有关灵敏度和分辨率的讨论可以用来表示系统针对内部噪
于50 Hz和60 Hz时下降。使用AD7195的Sinc4滤波器和10 Hz
声的性能。共模抑制适合用作系统针对外部噪声的性能品
ODR,可以保证具有高于100 dB的NMRR。40 µV p-p共模噪
质因数。
声贡献将被衰减至1 nV以下,从而电路有效抑制了线路噪声。
与电路的前端部分相同,电路的共模抑制主要由AD8421确
结论
定。CMRR表示差分增益与共模增益之比。它还可以通过
精密信号调理电路可让用户高效提取目标信号,哪怕信号
数学方式表示为:
位于高噪声环境中。性能参数(如灵敏度、有效分辨率和稳
定的环境噪声抵抗力)可以通过考虑内部噪声和共模抑制估
算。这些指标最终决定系统的性能,并协助用户设计工业应
其中:
用。在接口处使用不同的模数转换器还可进一步优化系统。
Adiff表示差分增益。
VCM表示放大器输入端的共模电压。
参考文献
VOUT表示共模电压对输出电压的贡献。
AD7195 Data Sheet. 2010. Analog Devices, Inc.
假设不需要的共模电压在两个输入端均含有10 V p-p信号,
AD8421 Data Sheet. 2012. Analog Devices, Inc.
并且增益为1时,AD8421的最小CMRR为94 dB。利用这些数
AD8475 Data Sheet. 2011. Analog Devices, Inc.
据便可求解AD7195输入端的环境噪声贡献。
AD8510 Data Sheet. 2009. Analog Devices, Inc.
Kitchin, Charles and Lew Counts. A Designer’s Guide to
Instrumentation Amplifiers (3rd ed). Analog Devices, Inc.
可以观察到200 µV p-p输出电压,这是由于AD8421输出端
的共模噪声造成的。电路的衰减功能使其下降至40 µV p-p
(AD7195的输入端)。
将其与增益配置为100的AD8421进行比较,则参数相同的
情况下,ADC输入端的共模噪声依然处于40 µV p-p的水平,
但灵敏度更高。它演示了增益和CMRR的增加如何有助于
提升相对外部噪声的灵敏度。
Moghimi, Reza. 2010. Low Noise Signal Conditioning for SensorBased Circuits. MS-2066 Technical Article. Analog Devices,
Inc.
Motchenbacher, C. D. and F. C. Fitchen. 1973. Low-Noise
Electronic Design. New York: Wiley.
National Instruments. 2010. Digital Multimeter Measurement
Fundamentals. Available online from National Instruments.
Ott, Henry. 1988. Noise Reduction Techniques in Electronic
Systems (2nd ed). Wiley.
此共模噪声是电源线上最常见的噪声源,而经过前端CMRR
大幅抑制后可进一步通过AD7195的串模抑制比(NMRR)加
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注释
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