Cando se proxecta cun convertedor analóxico a dixital (ADC), é fácil crer por erro que reducir o sinal de entrada para cumprir o rango de escala completa do ADC provocará unha diminución significativa da relación sinal / ruído (SNR). ).
Os deseñadores de sistemas que precisan tratar con oscilacións de ampla tensión están especialmente preocupados por isto. Ademais, en comparación cos ADC alimentados por tensións máis altas, os ADC alimentados por baixas tensións (5V ou inferior) son máis diversos.
A subministración de maior tensión normalmente leva a un maior consumo de enerxía e a disposición máis complicada das placas de circuíto (por exemplo, son necesarios máis condensadores de desacoplamento).
Moitos sinais xerados por sensores ou sistemas son sinais bipolares de alta tensión (como o sinal de ± 10V amplamente utilizado). Non obstante, hai moitos xeitos sinxelos de pasar este sinal polo ADC; tamén se poden empregar varias solucións ADC integradas de alta tensión: pode manexar este gran sinal de entrada a gran escala sen sacrificar o SNR. Estas solucións requiren unha tensión de alimentación moi alta para cumprir os requisitos de rango de entrada, e o seu consumo de enerxía tamén é bastante grande (Figura 1). Estes ADC de alta tensión tamén restrinxen a selección de solucións de acondicionamento de sinal (amplificador operacional). Se hai que multiplexar o sinal cunha combinación de entradas de alta e baixa tensión, o custo do sistema aumentará significativamente (Figura 2).
Tamén pode usar o amplificador de entrada para escalar o sinal para que coincida co rango de entrada a escala completa do ADC de baixa tensión. Este circuíto de acondicionamento de sinais pódese conectar a unha entrada multiplexada para que todos os sinais poidan estar en liña co rango ADC (Figura 3).
Cando se usa un amplificador para escalar a tensión do sinal, o ruído faise referencia á entrada do amplificador. Neste momento, hai dúas fontes de ruído principais: o ruído de referencia de entrada do amplificador e o ruído de referencia de entrada reducido do ADC. Estas dúas fontes de ruído combínanse nun termo cuadrático. Ademais, o ruído do amplificador tamén se filtra polo ancho de banda de entrada do ADC e o filtro antialiasing entre o amplificador e a entrada ADC, ver a Figura 4.
Figura 4: o amplificador de zoom introduce ruído, pero o ruído é filtrado polo circuíto RC e a rede de entrada do ADC.
A fórmula de cálculo do sistema SNR (terminal de entrada do amplificador) é:
Onde: VnADC é o ruído RMS de entrada do ADC; VnOPA é o ruído de referencia de entrada do amplificador (X veces a referencia de entrada) = frecuencia unipolar -3dB.
Dado o rango a escala completa do ADC, o ruído de referencia de entrada ADC e o factor de escala do amplificador, hai dúas variables que afectarán ao obxectivo da redución da perda SNR: a frecuencia de corte do filtro e o ruído de referencia de entrada do amplificador.
Se a fonte de sinal ten compoñentes de baixa frecuencia, pódese deseñar un filtro para que o amplificador tolere un ruído de entrada maior (o ruído de entrada normalmente está relacionado cun menor consumo e custo de enerxía). Se o ADC limita o ancho de banda do sistema, o amplificador necesita ter un ruído de referencia de entrada suficientemente baixo para controlar a perda de SNR nun rango aceptable.
Por exemplo, dado un sinal de entrada de ± 10V e un ADC de rango completo de 5VP-P cun SNR de 92dB, o factor de escala (a relación entre a entrada e o rango de escala completa) é 4. O ruído de referencia de entrada ADC en a folla de datos é de 44.4 nV RMS. Supoñendo que a frecuencia de corte do filtro é de 10kHz e o ruído de referencia de entrada do amplificador é de 10nV / (Hz) 1/2, a perda de SNR é: SNR (perda) = 0.035dB.
Se non hai filtro e suponse que o ancho de banda ADC é de 10 MHz, para conseguir a mesma perda de SNR, o ruído de referencia de entrada requirido convértese en 0.3 nV / (Hz) 1/2. Este requisito é moi estrito.
Para un ADC co mesmo ancho de banda de 10 MHz, se se permite SNR (perda) = 0.5 dB, a esixencia de ruído do amplificador é de 4 nV / (Hz) 1/2, que é relativamente fácil de implementar.
Polo tanto, se se dá o ancho de banda do sistema e a perda SNR permitida, a adición dun amplificador proporcional para converter o sinal de alta tensión a un ADC de baixa tensión no rango de escala será unha solución completamente factible. Cando se alimentan múltiples sinais con diferentes amplitudes de balance a un ADC multiplexado de baixa tensión, esta solución pode lograr un sistema rendible.
Noso outro produto:
