▍過(guò)采樣法簡(jiǎn)化模擬前端架構(gòu)

傳統(tǒng)模擬前端方法 過(guò)采樣方法大大簡(jiǎn)化了模擬前端設(shè)計(jì)。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(jí)儀表放大器——在我們的例子中是AD8220 JFET 輸入級(jí)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(guò)采樣架構(gòu)模擬前端

▍影響模擬前端設(shè)計(jì)的幾大關(guān)鍵因素解析

放大器
第一級(jí)放大器有幾項(xiàng)關(guān)健要求。一個(gè)要求是共模抑制比 (CMRR)。在電磁流量計(jì)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(jī)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(duì)于AD8220 B 級(jí)，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(shí)，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(jí)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(guò)載，避免信號(hào)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(shí)，不會(huì)成為一個(gè)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(shí)，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(shí)流速和小于1 毫米/秒的累計(jì)流速。

ADC 過(guò)采樣方法既帶來(lái)了挑戰(zhàn)，也對(duì)ADC 模塊提出了更高的性能要求。由于沒(méi)有后級(jí)模擬濾波器有源增益級(jí)，所以僅有一小部分的ADC 輸入范圍獲得使用。過(guò)采樣和平均本身不等于性能的顯著提高，因?yàn)楦鱾鞲衅髦芷谛枰耆⑾聛?lái)才能用于流量計(jì)算。此外，需要從這些有限的數(shù)據(jù)點(diǎn)獲得足夠多的模數(shù)轉(zhuǎn)換樣本，從而在固件處理過(guò)程中消除意外毛刺。

模擬前端和ADC 的噪聲預(yù)算

過(guò)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(shí)際流量測(cè)量沒(méi)有明確關(guān)系。由于不存在模擬帶通濾波 器，ADC 輸入端會(huì)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(jì)的精度本身可通過(guò)瞬時(shí)流量測(cè)量或累計(jì)流量測(cè)量來(lái)確定。流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用累計(jì)流量技術(shù) — 測(cè)量長(zhǎng)時(shí)間（比如30 或60 秒）內(nèi)某一水量的平均流量。通過(guò)這種測(cè)量（而非瞬時(shí) 流量測(cè)量）可確定系統(tǒng)精度為±0.2%。瞬時(shí)流量適合需要實(shí)時(shí)流速的應(yīng)用場(chǎng)合。它對(duì)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(shí)流量，ADC 需要在一個(gè)激勵(lì)周期（約600樣本的后置FIR濾波器）內(nèi)實(shí)現(xiàn)20.7 位的峰值分辨率。這可通過(guò)模擬前端來(lái)實(shí)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(shí)，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(dá)到50 SPS，而不需要增加外部放大級(jí)。

▍本文總結(jié)