При проектировании с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) легко ошибочно полагать, что уменьшение входного сигнала до полного диапазона АЦП приведет к значительному снижению отношения сигнал / шум (SNR ).
Это особенно беспокоит разработчиков систем, которым приходится иметь дело с большими перепадами напряжения. Кроме того, по сравнению с АЦП с питанием от более высокого напряжения, АЦП с питанием от низкого напряжения (5 В или ниже) более разнообразны.
Более высокое напряжение питания обычно приводит к большему энергопотреблению и более сложной компоновке печатной платы (например, требуется больше разделительных конденсаторов).
Многие сигналы, генерируемые датчиками или системами, являются биполярными сигналами высокого напряжения (например, широко используемый сигнал ± 10 В). Однако есть много простых способов пропустить этот сигнал через АЦП; Также могут использоваться различные интегрированные решения высоковольтного АЦП: он может обрабатывать этот большой полномасштабный входной сигнал без ущерба для отношения сигнал / шум. Эти решения требуют очень высокого напряжения питания для соответствия требованиям входного диапазона, и их потребляемая мощность также довольно велика (рисунок 1). Эти высоковольтные АЦП также сужают выбор решений для преобразования сигнала (ОУ). Если сигнал необходимо мультиплексировать с комбинацией входов высокого и низкого напряжения, стоимость системы значительно возрастет (рисунок 2).
Вы также можете использовать входной усилитель для масштабирования сигнала в соответствии с полным входным диапазоном низковольтного АЦП. Эту схему преобразования сигнала можно подключить к мультиплексированному входу, чтобы все сигналы соответствовали диапазону АЦП (рисунок 3).
При использовании усилителя для масштабирования напряжения сигнала шум относится ко входу усилителя. В настоящее время существует два основных источника шума: входной эталонный шум самого усилителя и пониженный входной эталонный шум АЦП. Эти два источника шума объединены в квадратичный член. Кроме того, шум усилителя также фильтруется входной полосой пропускания АЦП и фильтром сглаживания между усилителем и входом АЦП, см. Рисунок 4.
Рисунок 4: Усилитель масштабирования вносит шум, но шум фильтруется RC-цепью и входной цепью АЦП.
Формула расчета системного SNR (входной терминал усилителя):
Где: VnADC - входной среднеквадратичный шум АЦП; VnOPA - это входной опорный шум усилителя (в X раз больше входного опорного сигнала) = однополюсная частота -3 дБ.
Учитывая полный диапазон АЦП, входной эталонный шум АЦП и масштабный коэффициент усилителя, есть две переменные, которые будут влиять на цель снижения потерь SNR: частота среза фильтра и входной эталонный шум усилителя.
Если источник сигнала имеет низкочастотные компоненты, фильтр может быть спроектирован так, чтобы усилитель мог выдерживать больший входной шум (более высокий входной шум обычно связан с меньшим энергопотреблением и стоимостью). Если АЦП ограничивает полосу пропускания системы, усилитель должен иметь достаточно низкий входной опорный шум, чтобы контролировать потери SNR в приемлемом диапазоне.
Например, при входном сигнале ± 10 В и полномасштабном АЦП 5VP-P с отношением сигнал / шум 92 дБ масштабный коэффициент (отношение входного сигнала к полному диапазону) равен 4. Входной эталонный шум АЦП в в паспорте - 44.4 нВ RMS. Предполагая, что частота среза фильтра составляет 10 кГц, а входной опорный шум усилителя составляет 10 нВ / (Гц) 1/2, потеря отношения сигнал / шум составит: SNR (потери) = 0.035 дБ.
Если фильтр отсутствует и полоса пропускания АЦП предполагается равной 10 МГц, для достижения тех же потерь отношения сигнал / шум требуемый входной опорный шум становится равным 0.3 нВ / (Гц) 1/2. Это очень строгое требование.
Для АЦП с той же полосой пропускания 10 МГц, если разрешено отношение сигнал / шум (потери) = 0.5 дБ, требования к шуму усилителя составляют 4 нВ / (Гц) 1/2, что относительно легко реализовать.
Следовательно, если заданы полоса пропускания системы и допустимые потери SNR, добавление пропорционального усилителя для преобразования высоковольтного сигнала в низковольтный АЦП в полном диапазоне будет вполне возможным решением. При подаче нескольких сигналов с разными амплитудами качания на мультиплексированный низковольтный АЦП это решение может обеспечить экономичную систему.
Наш другой продукт:
