利用 Delte-Sigma ADC简化电路设计

news2024/10/2 8:26:31

很多时候在电路中选择合适的 ADC可以很大程度上简化前端的电路。这里我们一起来看一个电阻电桥的例子：

      这里用到了一只仪表放大器和一只运算放大器，他们实际上主要完成了三个功能：
      1. 抑制了 2.5V的共模信号；
      2. 将-12.44mV的差模信号放大了 110倍，从而满足了 ADC采样精度的要求；
      3. 虽然电桥输出的信号都是单极性（正电平）的，但是其差模信号 -12.44mV 到12.56mV是双极性的。运放电路给该双极性信号加入了 2.048V的直流偏置，使得最大化利用了 0－4.096V输入 ADC的动态范围；
      所以如果我们能找到一种 ADC，拥有全差分输入（提供完整的共模抑制能力），并拥有超高的精度，我们就有可能无需 INA进行共模抑制和电平抬升，无需两级放大就能够完成在25mV中获得 2000个读数的要求，就是说该 ADC的最小分辨率要小于 12.5uV!

(1) 用△-∑ ADC完成整个信号链的工作

在电阻电桥中，当 R3这个可变电阻器的阻值从 9.9k变化到 10.1k的过程中，输出的差模信号为 12.56mV到-12.44mV，也就是说在 0.2k欧姆的电阻变化过程中，可检测的信号变化范围为 25mV。如果期望的精度为 0.1欧姆，即需要 2000个读数，即在 25mV的范围内需要2000个读数，即每个读数为 12.5uV。
以 ADS1232为例，它是 24位 5V满量程输入的 ADC，由下表可以看到当其数据吞吐率为10SPS，内部 PGA设定为 1时，其输入级峰峰值噪声仅为 1.79uV。

此时，ADS1232的无噪声位数可以达到 21.4位，这里我们取 2^20约合 10^6来计算ADS1232每个 LSB的大小为：1LSB＝5V/10^6＝5uV < 12.5uV。在电桥 25mV的满量程差模输出中可以得到 5000个读数，远远满足要求。因此，电路可以简化为：

虽然理论上我们可以使用 ADS1232完成设计，但是在系统设计中，控制系统噪声（包括器件噪声，辐射噪声和传导噪声等）的峰峰值小于 12.5uV是非常困难的事情。这时，我们可以利用 ADS1232内部的 PGA，把输入差模信号放大（可选倍数为 1,2,4…128），比如我们把输入的 25mV差模信号通过内部 PGA放大 64倍，得到 1.6V的有用差模信号，我们的系统噪声只需小于 1.6V/2000＝800uV就可以完成工作了，这对系统设计的要求降低了许多，特别是在省略了大量的运放和电阻器后，噪声源减少，更有利于减少系统噪声。从芯片数据表我们可以看到，在 PGA倍数增大后，ADS1232的输入级噪声变为：125nV*64=8uV。
在使用 PGA后，我们对 ADC的位数要求可以降低，现在可以使用 16位的满量程输入为5V的 ADS1146来完成设计，此时 ADS1146的 1LSB=5V/65536=76uV，从放大后的 1.6V差模信号中可以获得 1.6V/76uV=20,000个数据！同时，ADS1146也拥有完整的差分输入级，可以完成整个信号链的工作。

(2) 利用 ADS1147完成对 3线制 RTD电阻的测量

ADS1147（16位）和 ADS1247（24位）是内建电流源的△-∑ ADC，这类 ADC专为 RTD等需要电流源激励的传感器设计，其全差分输入，PGA放大器和超高的精度帮助我们省下了一大堆运放和电阻。
除了压力信号，温度信号这种变化缓慢的信号需要高精度测量，还有一些动态范围大的低频交流小信号需要被稍高的采样率高精度采集，比如振动信号，地震信号的采集，这时几十或者几百 Hz的吞吐率已经难以满足要求，而 TI推出的 ADS127x，业界最快的兼顾直流和交流精度的∑-△型 ADC，就非常适合这类需求。