模擬前端處理的對象是信號源給出的模擬信號，其主要功能通常包括信號放大、濾波、接收ADC和/或發(fā)送路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(DAC)等，對于特定應(yīng)用領(lǐng)域可能還包括頻率變換或者調(diào)制解調(diào)等其他功能。而放大器和ADC是此類應(yīng)用中最重要的兩個模塊，特別是常見的傳感器信號處理模擬前端。

 

那么典型的模擬前端電路應(yīng)當(dāng)如何設(shè)計呢？本文從高性能模擬技術(shù)提供商ADI公司的一款典型電磁流量計案例為例進行應(yīng)用分析，該應(yīng)用中就涉及到最典型的傳感器信號采集處理，對常見的模擬前端設(shè)計具有參考意義。

 

過采樣法簡化模擬前端架構(gòu)

 

電磁流量計是目前使用最為廣泛的流量技術(shù)之一，主要用于液體流量測量，重點是自來水與污水處理系統(tǒng)。電磁流量計的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律——當(dāng)導(dǎo)電流體流經(jīng)傳感器的磁場時，一對電極之間就會產(chǎn)生與體積流量成正比的電動勢，因而通過測量該電勢實現(xiàn)對流量的判斷，其主要的發(fā)展趨勢是減少PCB面積和提升性能。

 

針對其模擬前端，傳統(tǒng)方法大致上是模擬式——具有高輸入阻抗和高輸入共模抑制性能的前置放大器用來應(yīng)對傳感器漏電流效應(yīng)，然后是三階或四階模擬帶通濾波器和采樣保持級，最后是模數(shù)轉(zhuǎn)換。如下圖所示，傳感器輸出信號首先經(jīng)由儀表放大器放大。必須盡量放大目標(biāo)信號，同時要避免不需要的直流共模電壓引起放大器輸出飽和。這通常會將第一級儀表放大器的增益限制在最多10 倍。帶通濾波器級進一步消除直流影響，并再次放大信號，然后進入采樣保持電路——正是這個差值信號代表流速——隨后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 

 

傳統(tǒng)模擬前端方法

 

過采樣方法大大簡化了模擬前端設(shè)計。模擬帶通濾波器和采樣保持電路不再需要。電路中的前置放大器僅有一級儀表放大器——在我們的例子中是AD8220 JFET 輸入級軌到軌輸出儀表放大器，它可以直接連接到高速Σ-Δ 型轉(zhuǎn)換器。

 

采用AD8220 和AD717x-x 的過采樣架構(gòu)模擬前端

 

影響模擬前端設(shè)計的幾大關(guān)鍵因素解析

 

Ø  放大器

 

第一級放大器有幾項關(guān)健要求。一個要求是共模抑制比 (CMRR)。在電磁流量計應(yīng)用中，電極的金屬材料與電解質(zhì)液體接觸。液體電解質(zhì)與電極之間的摩擦?xí)a(chǎn)生較高頻率的交流共模電壓。雖然幅度通常很小，但交流共模表現(xiàn)為完全隨機的噪聲，更難抑制。這就要求前置放大器不僅具有良好的直流共模抑制比，而且要有出色的較高頻率共模抑制比。AD8220 放大器在直流到5 千赫茲范圍內(nèi)具有出色的共模抑制比。對于AD8220 B 級，直流到60 赫茲范圍的最小共模抑制比為100 dB，5 千赫茲以下為90 dB，能夠很好地將共模電壓和噪聲抑制到微伏水平。當(dāng)共模抑制比為120 dB 時，0.1 伏峰峰值降低到0.1 微伏峰峰值。

 

前置放大器的共模抑制

 

前置放大器級的低漏電流和高輸入阻抗是又一重要參數(shù)。放大器的高輸入阻抗可防止傳感器輸出過載，避免信號幅度減小。放大器的漏電流應(yīng)足夠低，這樣當(dāng)它流經(jīng)傳感器時，不會成為一個顯著的誤差源。AD8220 的最大輸入偏置電流為10 pA，輸入阻抗為1013Ω，因此它能支持電磁流量傳感器的廣泛輸出特性。最后，0.1 赫茲至10 赫茲范圍的1/f 噪聲設(shè)置應(yīng)用的噪底。當(dāng)增益配置為10 時，AD8220 折合到輸入端的電壓噪聲約為 0.94 μV p-p，它能分辨6 毫米/秒的瞬時流速和小于1 毫米/秒的累計流速。

 

Ø  ADC

過采樣方法既帶來了挑戰(zhàn)，也對ADC 模塊提出了更高的性能要求。由于沒有后級模擬濾波器有源增益級，所以僅有一小部分的ADC 輸入范圍獲得使用。過采樣和平均本身不等于性能的顯著提高，因為各傳感器周期需要完全建立下來才能用于流量計算。此外，需要從這些有限的數(shù)據(jù)點獲得足夠多的模數(shù)轉(zhuǎn)換樣本，從而在固件處理過程中消除意外毛刺。

 

模擬前端和ADC 的噪聲預(yù)算

 

過采樣架構(gòu)一般要求ADC 數(shù)據(jù)速率大于20 kSPS，越快越好。 這與實際流量測量沒有明確關(guān)系。由于不存在模擬帶通濾波 器，ADC 輸入端會直接看到傳感器原始輸出。這種情況下， 傳感器的上升沿未經(jīng)濾波，因此ADC 在上升沿和下降沿期間 須具有足夠高的分辨率，以便足夠準(zhǔn)確地捕捉這些邊沿。

 

流量計的精度本身可通過瞬時流量測量或累計流量測量來確定。流量計標(biāo)準(zhǔn)采用累計流量技術(shù) — 測量長時間（比如30 或60 秒）內(nèi)某一水量的平均流量。通過這種測量（而非瞬時 流量測量）可確定系統(tǒng)精度為±0.2%。瞬時流量適合需要實時流速的應(yīng)用場合。它對電子器件的精度要求要高得多。理論上，為了分辨5 毫米/秒的瞬時流量，ADC 需要在一個激勵周期（約600樣本的后置FIR濾波器）內(nèi)實現(xiàn)20.7 位的峰值分辨率。這可通過模擬前端來實現(xiàn)。

 

我們的方案中采用的是ADI公司低噪聲、多路復(fù)用Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7172-2，該ADC提供低輸入噪聲和高采樣速度的完美組合，特別適合電磁流量應(yīng)用。采用2.5 V 外部基準(zhǔn)電壓源時，AD7172-2 的典型噪聲低至0.47μV p-p。這意味著，最終流量結(jié)果的刷新速率可以達到50 SPS，而不需要增加外部放大級。

 

本文總結(jié)：

 

本文僅提供了一個一般的應(yīng)用場景下的模擬前端設(shè)計參考思路，根據(jù)傳感器具體類型和待測電壓/電流幅度的不同，不同的模擬前端電路設(shè)計會面臨各種的挑戰(zhàn)，例如：信號可能需要放大或衰減，從而匹配模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的滿量程輸入范圍，以供進一步的數(shù)字處理和反饋控制；而在典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要衰減的信號與需要放大的信號會分別通過不同的信號路徑進行處理，這些不同路徑放大器往往不能提供許多工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用所需的高直流精度和溫度穩(wěn)定性，同時也會導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計更為復(fù)雜，從而大量占用電路板空間。在具體的應(yīng)用中需要結(jié)合應(yīng)用場景的具體要求進行電路調(diào)整和優(yōu)化。