在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色，它們不僅負(fù)責(zé)將傳感器測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，還需確保這些信息的高分辨率和準(zhǔn)確性。本文旨在探討如何通過(guò)優(yōu)化輸入級(jí)設(shè)計(jì)提升數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體性能，特別聚焦于可編程增益儀表放大器(PGIA)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之間的協(xié)作。

系統(tǒng)需求與挑戰(zhàn)

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，對(duì)于溫度、流量、液位等物理參數(shù)的精確測(cè)量要求日益增加。這推動(dòng)了對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更高精度的需求。然而，信號(hào)噪聲、漂移以及不同類型的傳感器輸出特性差異等問(wèn)題，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了保證原始測(cè)量信號(hào)不失真，選擇合適的組件和架構(gòu)至關(guān)重要。

輸入級(jí)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素

1. 緩沖與放大

輸入級(jí)需要具備緩沖能力以適應(yīng)高輸入阻抗，并能夠根據(jù)下游ADC的要求調(diào)整電平或生成差分信號(hào)。采用PGIA可以靈活地調(diào)節(jié)增益，使得不同幅度的輸入信號(hào)都能覆蓋ADC的整個(gè)電壓范圍，同時(shí)滿足共模電壓要求。

2. 差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)

由于許多高性能ADC（如SAR ADC）要求差分輸入，而傳統(tǒng)的PGIA通常只提供單端輸出，因此需要額外的信號(hào)調(diào)理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)從單端到差分的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換雖增加了復(fù)雜度，但通過(guò)精心挑選元件，可以最小化引入的誤差。

PGIA與AD4020集成案例分析

圖1展示了一個(gè)典型的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖，包括基準(zhǔn)電壓源、帶集成電源的基準(zhǔn)電壓緩沖器、PGIA以及AD4020 SAR ADC。此設(shè)計(jì)利用PGIA的高輸入阻抗和優(yōu)異的共模抑制比(CMRR)，直接驅(qū)動(dòng)AD4020，從而簡(jiǎn)化了信號(hào)鏈結(jié)構(gòu)并提高了系統(tǒng)整體性能。

圖1

性能指標(biāo)

線性度：典型值±2 ppm

偏置和增益漂移：分別為±3.5 ppm/°C和±6 ppm/°C

噪聲功率：超過(guò)–115 dB

這些指標(biāo)支持高速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并在整個(gè)增益范圍內(nèi)保持一致的表現(xiàn)。此外，該系統(tǒng)還支持多種輸入配置（雙極、單極、單端或全差分），最大增益可達(dá)10倍，適用于廣泛的傳感器類型。

AD8250作為PGIA的選擇

AD8250是一款優(yōu)秀的PGIA候選者，它具有以下特點(diǎn)：

小型封裝：10引腳MSOP

可編程增益選項(xiàng)：1、2、5、10

寬廣的工作電壓范圍：±5 V至±15 V

出色的直流和交流性能，包括高達(dá)98 dB的CMRR和低噪聲水平

AD8250的快速建立時(shí)間和高壓擺率使其成為處理動(dòng)態(tài)信號(hào)的理想選擇，特別是在需要高精度的應(yīng)用場(chǎng)景下。

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結(jié)論

通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和組件選擇，可以構(gòu)建出既能滿足高精度要求又能應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PGIA與高性能ADC的有效結(jié)合，不僅可以減少系統(tǒng)復(fù)雜度，還能顯著提升數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)于追求極致性能的工程師來(lái)說(shuō)，理解并掌握這些關(guān)鍵技術(shù)是至關(guān)重要的。未來(lái)的研究方向可能集中在進(jìn)一步降低噪聲、提高集成度以及增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性上。