EmmaChen

工程师博客分享——全能DAQ ADAQ798x,如何增加双极性输入的增益

EmmaChen 在 2017-9-27 建立的討論區
最後回覆由SHANAOQQ於2017-9-29提供

作者:tschmitt,ADI应用工程师

 

本篇文章将讨论一种可用来将ADAQ798x与双极性传感器和输入源接口的配置。此类信号在工业和数据采集应用中很常见。该配置基于该系列博客《增加单极性输入的增益》讨论的将双极性信号转换成单极性信号以用于集成ADC的同相配置。

 

同相求和配置

双极性信号在低电压(0 V)上下摆动。由于ADAQ798x集成ADC只能转换0 V到VREF的信号,所以针对该ADC,需要将双极性信号加以直流偏置和适当调整。为了完成这一任务,以下配置给标准同相配置增加了两个电阻(R1和R2)。

 

1.png

 

此配置将输入信号与一个单独的直流电压求和,以将ADC驱动器输出偏置到ADC中间电平输入(VREF/2),从而实现双极性到单极性的转换。基准电压(VREF)用作直流电压常常是可行的,这样就无需其他电路(反正ADAQ798x总是伴随一个基准电压源!)。它还能防止VREF偏差给系统增加失调误差,因为ADC驱动器的直流偏置总是VREF的一半。鉴于这些原因,我们将专门讨论这种将VREF用作直流“变换”电压的配置。

 

 

此配置的传递函数如下:

 

2.png

与普通同相配置类似,Rf和Rg之比决定从IN+到AMP_OUT的增益,但此比值现在也依赖于vIN的输入幅度。注意vIN为双极性,但同相节点上的电压为单极性。这意味着,对应于vIN的最小值,IN+上的电压必须为0 V:

 

3.png

 

由此关系可得出R1和R2之比:

4.png

 

Rf和Rg可利用该配置的传递函数以及vIN为0 V时ADC驱动器输出(vAMP_OUT)等于VREF/2的条件来确定。求解Rf和Rg的方程可得:

5.png

 

现在有了R1和R2之比及Rf和Rg之比,但我们还需要挑选特定的值。我们已在该系列博客《增加单极性输入的增益》中讨论了Rf和Rg值的选择。R1和R2的选择应基于应用的噪声、精度和输入阻抗要求确定。小电阻会改善噪声,可降低其与ADC驱动器输入偏置电流相互作用所引起的失调误差(参见技术文章《运算放大器输入偏置电流》和参考电路《库隔离、2通道、16位、500 kSPS同步采样 信号链,集成数据采集系统》),但若要提高输入阻抗并降低基准源的输出电流,则需要大电阻。此电路的输入阻抗为:

6.png

注意,对于vIN幅度为±VREF的特殊情况,Rf和Rg之比为0。这种情况下,ADC驱动器增益为1,意味着省去Rg,Rf可以为0 Ω。

 

我们来看一个例子:ADAQ7980需要对±1 V输入信号执行双极性到单极性转换,VREF = 5 V,使用Rf = 2 kΩ。利用上述公式,R2须为R1的5倍,Rf须为Rg的2倍。Rf为2 kΩ,所以Rg须为1 kΩ。R1和R2的具体值可根据应用要求选择。对于本例,我们希望选择R1和R2的组合来抵消输入偏置电流对失调误差的影响。技术文章《运算放大器输入偏置电流》中已经阐明,为实现此目的,R1||R2应等于Rf||Rg,故R1 = 800 Ω,R2 = 4 kΩ。

 

我们再考虑一个例子:vIN = ±10 V,VREF = 5 V。这种情况下,我们会遇到Rf和Rg之比为负数的问题,所以利用这种配置实际上不能实现该输入范围。事实上,适合此配置的最大vIN为±VREF,此时ADC驱动器增益等于1。幸运的是,我们会在本系列接下来的文章中讨论其他两种允许我们超出此输入范围的配置。

 

 

结语

若将R2接地而不是接VREF,则以上配置也可用于单极性信号。这一修改对需要衰减以用于ADC的单极性输入信号(幅度大于VREF)有用。这种情况下,ADC驱动器极有可能是单位增益,故不需要Rf和Rg

 

如上所述,如果应用要求高输入阻抗,则R1和R2必须很大,这可能会提高系统的本底噪声。我们可以通过增加分流电容和/或通过过采样和抽取来补偿噪声增加。两种方案均通过损失输入信号带宽来降低本底噪声。但是,对于低带宽或直流应用,输入带宽不那么重要。因此,这些配置更适合低带宽、高输入阻抗应用。我们将在下一篇文章中更详细讨论这个话题。

 

然而,有一个问题未涉及,那就是ADC驱动器流过电阻的输入偏置电流所引起的失调误差。电阻越大,引起的直流误差越大。通过调整R1和R2之比以补偿不需要的压降,或通过选择Rf和Rg的值来抵消R1和R2引起的失调,可以降低此误差,不过输入范围会有损失。但应注意,Rf必须足够小以确保放大器稳定,故第二种方案并不总是可行。

結果