信号调理和信号转换的系统设计方法及实例

 振动、温度、压力和光等现实世界的信号需要精确的信号调理和信号转换，然后才能在数字域中进行进一步数据处理。为了克服当前高精度应用的多种挑战，需要一个精心设计的低噪声模拟前端来实现最佳信噪比(SNR)。许多系统既负担不起最昂贵的器件，也无法承受低噪声器件的更高功耗。本文提出了一种系统的方法来设计一个增益模块和ADC组合，并给出一个支持此方法的实例。在调理低频（接近dc）信号时，该电路进行噪声计算和分析。

图1 典型信号调理链

设计模拟前端时，请遵循以下七个步骤：

1) 描述传感器或增益模块前部的电气输出

2) 计算ADC的需求

3) 为信号转换找到最佳ADC + 基准电压

4) 为运算放大器找到最大增益并定义搜索条件

5) 找到最佳放大器并设计增益模块

6) 根据设计目标检查解决方案总噪声

7) 运行模拟并验证

第1步：描述传感器或增益模块前部的电气输出

信号可能直接来源于传感器，也可能在到达增益模块之前经过EMI和RFI滤波器。为了设计增益模块，必须知道信号的ac和dc特性以及可用的电源。知道了信号的特性和噪声电平后，我们就能知道选择ADC时需要何种输入电压范围和噪声电平。假设有一个传感器，以250 mV p-p（88.2 mV rms）和25 μV p-p噪声的满量程幅度输出一个10kHz信号。我们进一步假设系统中有一个可用的5V电源。有了这些信息，我们应该能计算出第2步中的ADC输入端的信噪比。为简化数据处理和避免混淆，假设我们将该解决方案设计为在室温下工作。

第2步：计算ADC的需求

我们需要何种ADC、采样速率如何、多少位、噪声指标如何？若从第一步知道了输入信号幅度以及噪声信息，我们就能计算出增益模块输入端的信噪比（SNR）。我们需要选择一个有更佳信噪比的ADC。在选择ADC时，知道SNR将有助于我们计算有效位数（ENOB）。此关系表达式如下。

理想的ADC数据手册总会标出SNR和ENOB。此例中所需要的86.8 dB SNR和14.2位ENOB决定了我们应选择一个16位的模数转换器。此外，奈奎斯特准则要求采样率（fs）应至少两倍于最大输入频率（fin），因此一个20-kSPS ADC应该就已足够。下一步我们需要设计总体解决方案，使得噪声密度不超过416 nV/rt-Hz。

第3步：为信号转换找到最佳ADC+基准电压

有了一系列的搜索条件，我们就有许多种方法找到合适的ADC。要找到一个16位ADC，最简单的方法之一就是使用厂商网站上的搜索工具。输入分辨率与采样速率，就可找到许多推荐的ADC。

许多16位的ADC满足14.5位ENOB需求。如果您想得到更佳的噪声性能，可使用过采样迫使ENOB达到16位（由4^n过采样得到n位增强）。通过过采样，您可以使用较低分辨率的ADC：256过采样的12位ADC（4^4过采样）可得到16位噪声性能。在我们的例子中，这意味着5.126 MHz采样率的12位ADC（20 kSPS × 256），或是4^2过采样的14位ADC；若1.28 MSPS则更佳。然而这些选择的成本却和AD7685（16位、250 kSPS ADC）相当。

图2 典型的ADC选型表

从列表中我们选择了AD7685（16位PulSAR ADC）。该转换器具有90-dB SNR和250 ksps采样率，符合我们的需要。此ADC推荐搭配使用ADR421/ADR431精密XFET基准电压源。2.5-V的输入范围超过了我们需要的250-mV p-p输入特性

AD7685参考输入具有动态输入阻抗，因此需进行去耦以使寄生电感最小（方法是在引脚附近放置一个陶瓷去耦电容，并用较宽的低阻抗走线进行连接）。一个22 μF陶瓷芯片电容可提供最佳性能。

第4步：为运算放大器找到最大增益并定义搜索条件

有了ADC的输入电压范围将有助于我们设计增益模块。为了最大化动态范围，我们需要在给定的输入信号和ADC输入范围内选取尽可能高的增益。这意味着我们可以将该例子中的增益模块设计成具有10倍的增益。

虽然AD7685很容易驱动，但驱动放大器需要满足某些要求。例如，为保持AD7685的SNR和转换噪声性能，驱动放大器产生的噪声必须尽可能低，但要注意增益模块可同时放大信号和噪声。若要使得噪声在增益模块前后都保持不变，我们需要选择具有更低噪声值的放大器和相关元件。此外，驱动器的THD性能应与AD7685相当，并且必须使ADC电容阵列以16位水平（0.0015%）建立满量程阶跃。来自放大器的噪声可使用外部滤波器进一步过滤。

运算放大器的输入端允许多大的噪声？牢记我们设计的总体解决方案的噪声密度不超过416 nV/rt-Hz。我们设计的增益模块应具有更低的本底噪声，系数为10，因为我们的增益为10。这将确保来自放大器的噪声远低于传感器的本底噪声。计算噪声裕量时，我们可假设运算放大器输入端的噪声大致