模数转换器在高精度数据采集系统的应用方案

【导读】市场对工业应用的需求与日俱增，数据采集系统是其中的关键设备。它们通常用于检测温度、流量、液位、压力和其他物理量，随后将这些物理量对应的模拟信号转换为高分辨率的数字信息，再由软件做进一步处理。此类系统对精度和速度的要求越来越高，这些数据采集系统由放大器电路和模数转换器(ADC)组成，其性能对系统具有决定性的影响。

市场对工业应用的需求与日俱增，数据采集系统是其中的关键设备。它们通常用于检测温度、流量、液位、压力和其他物理量，随后将这些物理量对应的模拟信号转换为高分辨率的数字信息，再由软件做进一步处理。此类系统对精度和速度的要求越来越高，这些数据采集系统由放大器电路和模数转换器(ADC)组成，其性能对系统具有决定性的影响。

然而，ADC的输入驱动器也会影响整体精度，该驱动器用于缓冲和放大输入信号。此外，还必须增加偏置信号或生成全差分信号，以覆盖ADC的输入电压范围并满足其共模电压要求，在此过程中不得改变原始信号。可编程增益仪表放大器(PGIA)通常用作输入驱动器。在本文中，我们提出了一种输入驱动器和ADC的组合，通过这种组合可以实现非常精确的转换结果，从而构建高质量的数据采集系统。

例如，LTC6373就是一款适用于高精度数据采集系统的PGIA，除了全差分输出，它还具有高直流精度、低噪声、低失真（见图2）以及4 MHz的高带宽，增益为1/4~16。ADC可以通过它直接驱动，因此适合许多信号调理应用。

图1中的电路显示了使用LTC6373来驱动精密ADC的示例，ADC是具有1.8 MSPS的20位分辨率的AD4020。

图1. 驱动精密ADC的电路示例。

在该电路中，LTC6373在输入端和输出端直流耦合，因而不需要使用变压器来驱动ADC。增益可通过引脚A2/A1/A0在0.25 V/V至16 V/V 之间进行设置。在图1中，LTC6373采用差分输入至差分输出配置和±15 V对称电源电压。或者，输入也可以是单端输入，而输出仍然是差分输出。

在图1中，输出共模电压通过VOCM引脚设置为VREF/2。这样就可实现LTC6373的输出电平转换。LTC6373的每个输出在0 V至VREF之间变化，因此在ADC输入端有一个2× VREF幅度的差分信号。LTC6373的输出端和ADC输入端之间的RC网络形成一个单极点低通滤波器，它可降低在ADC输入端切换电容时产生的电流毛刺。同时，低通滤波器限制了宽带噪声。

图2. 使用LTC6373驱动AD4020的SNR（左）和THD（右）性能。

图2显示LTC6373的信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)，其在整个输入电压范围(10V p-p)内驱动AD4020 SAR ADC（高阻态模式）。在吞吐量为1.8 MSPS，滤波器电阻(RFILTER)为442 Ω时可获得比较满意的效果。在1 MSPS或0.6 MSPS时，制造商建议RFILTER为887 Ω。

LTC6373可驱动大多数具有差分输入的SAR ADC，不需要另外增加 ADC驱动器。但是，在某些应用中，在LTC6373和精密ADC之间可以使用单独的ADC驱动器来进一步提高信号链的线性度。

结论

图1中所示的电路针对快速、高精度数据采集系统进行了优化。因此，LTC6373的出色特性有助于对传感器输出信号进行信号调理。借助在线工具ADI Precision Studio，特别是其中包含的ADC驱动器工具，ADI公司可以为此类放大级、滤波器和线性电路设计提供更多支持。

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