有时更贵的ADC是最划算的

　　在便携式医疗设备和工业自动化中，在温度测量、压力测量和工业过程控制中，12位被认为足以做出正确的决定。然而，当考虑到一个完整的多传感器系统设计时，24位转换器可能是更划算的选择，这就是为什么。

　　当开始一个系统设计时，设计师通常会开发一个12位的系统，从一个12位转换器开始，然后开发前端模拟链。然而，前端电路涉及多个放大器，增加了设计时间、空间、复杂性和最终的整体成本。

　　有更好的方法。本文简要讨论了如何使用一个8通道、24位转换器来替换所有的12位信号链。以ad7124 - 8bcpz - rl7为例，以低噪声、低功率模数转换器(ADC)为例。

　　典型的12位多传感器设计

　　创建便携式传感系统，设计者需要一个12位、14位或16位系统的系统，然后开发这个系统。设计工作从前端模拟链和适当的连续逼近寄存器(SAR)ADC开始。

　　找到集成多个传感器的系统是合理的。一个很好的例子是一个病人监测，它收集温度，体重，血氧，和口头陈述(图1)。

　　患者监护仪与录音机的关系图

　　图1:一个带有声音记录器的病人监视器是一个多传感器系统的很好的例子。

　　一个常见的12位传感系统执行高侧或低侧系统电流测量。在这样的系统中，一个子欧姆值电阻(RSHUNT)通过将电流转换为电压(图2)来感知系统电流。这显示了一个标准的高端电流传感电路，最终将系统的电流转换成使用sar- adc的可用数字字。

　　典型的12位高侧电流传感电路图

　　图2:一个典型的12位高电流传感电路显示了一个sar- adc，将电流通过RSHUNT感知到一个可用的数字字。

　　在图2中，亚欧姆分流电阻器穿过一个仪器放大器(InAmp)，它能够感应电压附近的电压。InAmp的输出范围在0到100毫伏(mV)。对于一个12位系统，在这一点上最不重要的位(LSB)大小是24.4微伏(mV)。两个放大器得到这个信号，两者都得到- 10 V/ V的增益。在电路的这一点上，信号的输出范围是0到10伏特。然后信号进入完全微分放大器(FDA)。该放大器适当地为sar- adc差分输入插脚提供了一个微分输出，LSB大小为1.22 mV。

　　下面的成本分析，将使用1000件的定价估算。在图2的前端，InAmp设备是一种特殊的设备，它能够准确地感知电源附近的小输入信号。这一电路部分的权衡是，RSHUNT必须尽可能低，以便尽可能保持电力供应的稳定。对于这种特殊设备，费用估计是~ $ 3.00。

　　在InAmp之后，有两个运算放大器(OpAmps)。最好，两个OpAmps都是双配置的一部分。这些放大器必须具有低输入偏置电流、偏置电压和噪声。输入偏置电流和偏置电压将随着信号的发展到sar- adc而增加偏移误差。高放大器噪声会影响信号链的信噪比(信噪比)。对于这种双放大器，费用估计为~ $ 2.00。

　　FDA收到OpAmps的输出信号。FDA的功能是将单端信号改变为一个差分输出，将全尺寸范围乘以0.4 V/ V，并实现一级转换为2.5伏特。对于FDA来说，费用估计是2美元。

　　最后，saradc收到了FDA的差分信号。这个应用电路测量电流流过负载。这种高边电流传感器电路只需要一个12位的转换结果的粒度。对于图2,12位saradc的典型成本是~ 5.00美元。

　　图2中的前端电路包括多个芯片，包括4个放大器，从而增加了设计时间、空间、复杂性和最终成本。在我们的例子中，前端成本是~ $ 7.00。

　　这个过程可以进行大量传感电路,但这个实例将使用24位法(∑∆)转换器从模拟设备。

　　用24位转换器替换12位

　　有一种更好的方法来实现图2电路。sarad - adc函数需要信号调节电路、模拟多路复用器和放大器驱动器。另一种是开关变换器的∑∆adc(图3)。

　　图像的传感器电路框图

　　图3:传感器-电路框图:图上的顶部图有一个sar- adc作为转换器。图有一个底部∑∆adc转换器。

　　图3说明了根本区别SAR-ADC和∑∆adc信号路径。saradc信号通路需要信号调节，使小传感器信号满足转换器的输入范围。传感器连接的∑∆adc信号通路直接连接到变频器的输入。

　　使用∑∆adc信号链,一个设计师可以忘记模拟增益阶段和删除电平偏移电路。这个电路将继续使用InAmp，因为它为过电压事件提供保护功能，然而，所有其他的放大器都是不必要的(图4)。

　　高端电流传感图使用∑∆adc

　　图4:高端电流传感用∑∆adc显示元素所取代。

　　所有与上述系统有关的是LSB大小的24.4 mV。为了准确起见，把LSB大小除以2，得到12。2 mV是值得的。5 V系统所需的比特数很容易计算为1.44 * ln(全标距/ LSB)。在这个电路中，比特数是18。6，四舍五入为19位。

　　同样，这个成本分析使用了1000块定价估算。回到图4的前端，我们仍将使用InAmp设备。对于这种特殊的设备，典型的成本仍然是3美元。

　　在InAmp之后，两个放大器被消除。这节省了~ 2.00美元。FDA也消除了由于∑∆adc的数字电平偏移函数。同样，这将节省$ 2.00。

　　最后，saradc收到了FDA的差分信号。这个应用电路测量电流流过负载。这种高边电流传感器电路只需要一个12位的转换结果的粒度。图2指,典型的成本24位∑∆adc是~ 5.30美元。

　　图4中前端电路的去除降低了电路的复杂性和成本。在这个电路中唯一的模拟幸存者是InAmp。在这个例子中，前端成本现在是3美元。

　　全功能的∑∆adc

　　这个信号现在被放到一个24位系统中，没有任何增益。在这个24位系统中，LSB大小相当于为12位系统获得4098的增益(图5)。

　　LSB大小的图等价于有4098的增益

　　图5:在这个24位系统中，LSB大小相当于为12位系统获得4098的增益。

　　虽然输入范围∑∆adc为特定传感器很小,转换器能够产生12位分辨率传感器,减去信号调节阶段。

　　让我们在这个方法中加入一点现实。在找到一个24位∑∆adc全面范围的5 V,设计师将有机会消除信号链元素。如果他们进一步采用了这个方法,他们可以使用∑∆adc,内部可编程增益放大器(pga),允许模拟信号链的添加元素在∑∆adc(图6)。

　　图的模拟设备AD7124-8 24位∑∆adc与4的16输入插脚(点击放大)

　　图6:AD7124-8 24位∑∆adc与4的16输入插脚。

　　八个差分输入AD7124-8,24位∑∆adc是一个低噪声的解决方案包含可编程增益(1到128),一个内部基准电压,和一个内部时钟振荡器。该装置非常适合于消除如图2所示的繁琐模拟信号调理电路。

　　结论

　　本文简要讨论了为什么使用24位转换器而不是多个12位设备，以及如何降低多传感器设备模拟前端的成本和复杂性。

　　模拟设备AD7124-8BCPZ-RL7 8路,低噪音,低功率,∑∆ADC,被用来作为一个例子。该设备还将消除PGA和电压参考的需要。