数据采集子系统对精密应用中的工程设计有何作用？

数据采集系统级挑战

系统架构师和电路硬件设计人员针对最终应用（如测试和测量、工业自动化、医疗健康或航空航天和防务）需求，往往要耗费大量研发（R＆D）资源来开发高性能、分立式精密线性信号链模块，以实现测量和保护、调节和采集或合成和驱动。本文将重点讨论精密数据采集子系统，如图1所示。

电子行业瞬息万变，随着对研发预算和上市时间（TTM）的控制日益严苛，用于构建模拟电路并制作原型来验证其功能的时间也越来越少。在散热性能和印刷电路板（PCB）密度受限的情况下，硬件设计人员需要通过尺寸不断缩小的复杂设计提供先进的精密数据转换性能和更高的鲁棒性。通过系统级封装（SiP）技术实现的异构集成，继续推动电子行业朝着更高密度、更多功能、更强性能和更长的平均无故障时间的趋势发展。本文将介绍ADI公司如何利用异质集成改变精密转换竞争环境，并提供对应用产生重大影响的解决方案。

图1．高级数据采集系统框图

系统设计人员面临诸多挑战，不仅需要为最终原型选择器件并优化设计，还要满足驱动ADC输入、保护ADC输入以使其免受过压事件影响、最大限度地降低系统功耗、用低功耗微控制器和／或数字隔离器实现更高的系统吞吐量等技术要求。随着OEM更多地关注系统软件和应用，以打造独特的系统解决方案，他们也将更多的资源分配给软件开发，而不是硬件开发。这样就增加了硬件开发的压力，需要进一步减少设计迭代。

开发数据采集信号链的系统设计人员通常需要高输入阻抗才能与各种传感器直接接口，这些传感器可能具有变共模电压和单极或双极单端或差分输入信号。我们通过图2全面分析一下使用分立式器件实现的典型信号链，从而了解系统设计人员的一些主要技术难点。图中所示为精密数据采集子系统的关键部分，其中20 V p－p仪表放大器输出施加于全差分放大器（FDA）的同相输入。此FDA提供必要的信号调理，包括电平转换、信号衰减，输出摆幅在0 V和5 V之间，输出共模电压为2．5 V，相位相反，从而为ADC输入提供10 V p－p差分信号，以最大限度地扩大其动态范围。仪表放大器采用±15 V的双电源供电，而FDA由＋5 V／–1 V供电，ADC由5 V电源供电。用反馈电阻（RF1＝ RF2）与增益电阻（RG1 ＝ RG2）的比值，将FDA增益设置为0．5。FDA的噪声增益（NG）定义为：

其中β1和β2为反馈系数：

图2．典型数据采集信号链的简化原理图

本节将探讨FDA周围的电路不平衡（即β1 ≠ β2）或反馈和增益电阻（RG1、RG2、RF1、RF2）的不匹配对SNR、失真、线性度、增益误差、偏移和输入共模抑制比等关键技术参数有何影响。FDA的差分输出电压取决于VOCM，因此，当反馈系数β1和β2不相等时，输出幅度或相位的任何不平衡都会在输出端产生不良共模成分，这些共模成分以噪声增益放大后，会导致FDA的差分输出中存在冗余噪声和失调。因此，增益／反馈电阻的比值必须匹配。换言之，输入源阻抗和RG2 （RG1）的组合应匹配（即β1 ＝ β2），以避免信号失真和各输出信号的共模电压失配，并防止FDA的共模噪声增加。要抵消差分失调并避免输出失真，可添加一个与增益电阻（RG1）串联的外部电阻。不仅如此，增益误差偏移还受电阻类型的影响，例如薄膜、低温度系数电阻等，而在成本和电路板空间受限的情况下寻找匹配的电阻并不容易。

此外，由于额外成本和PCB上的空间有限，很多设计人员在创建单数双极性电源时遇到不少麻烦。设计人员还需要仔细选择合适的无源器件，包括RC低通滤波器（放在ADC驱动器输出和ADC输入之间）以及用于逐次逼近寄存器（SAR） ADC动态参考节点的去耦电容。RC滤波器有助于限制ADC输入端噪声，并减少来自SAR ADC输入端容性DAC的反冲。应选择C0G或NP0型电容和合理的串联电阻值，使放大器保持稳定并限制其输出电流。最后，PCB布局对于保持信号完整性以及实现信号链的预期性能至关重要。

简化客户的设计进程

许多系统设计人员最终都是为相同的应用设计不同的信号链架构。然而，并非所有设计都适用同一种信号链，因此ADI公司提供具有先进性能的完整信号链μModule®解决方案，专注于信号链、信号调理和数字化的通用部分，以此弥补标准分立器件和高度集成的客户特定IC之间的缺口，帮助解决主要难点。  ADAQ4003是SiP解决方案，较好地兼顾了降低研发成本和缩减尺寸两方面因素，同时加快了原型制作。

ADAQ4003 μModule精密数据采集解决方案采用ADI的先进SiP技术，将多个通用信号处理和调理模块以及关键无源器件集成到单个设备中（见图5）。ADAQ4003包括低噪声、FDA、稳定的基准电压源缓冲器和高分辨率18位、2 MSPS SAR ADC。

ADAQ4003通过将元件选择、优化和布局从设计人员转移到器件本身，简化了信号链设计，缩短了精密测量系统的开发周期，并解决了上一节讨论的所有主要问题。FDA周围的精密电阻阵列使用ADI专有的iPassives®技术构建，可解决电路不平衡问题，减少寄生效应，有助于实现高达0．005％的出色增益匹配，并优化漂移性能（1 ppm／°C）。与分立式无源器件相比，iPassives技术还具有尺寸优势，从而最大限度地减少了与温度相关的误差源，并减少了系统级校准工作。FDA提供快速建立和宽共模输入范围以及精确的可配置增益选项（0．45、0．52、0．9、1或1．9）性能，允许进行增益或衰减调节，支持全差分或单端到差分输入。

ADAQ4003在ADC驱动器和ADC之间配置了一个单极点RC滤波器，旨在最大限度地减少建立时间，增加输入信号带宽。此外为基准电压节点和电源提供了所有必要的去耦电容，以简化物料清单（BOM）。ADAQ4003还内置一个配置为单位增益的基准电压缓冲器，用于驱动SAR ADC基准电压节点和相应去耦电容的动态输入阻抗，实现优化性能。REF引脚上的10 μF是在位判断过程中帮助补充内部电容DAC电荷的关键要求，对于实现峰值转换性能至关重要。与许多传统SAR ADC信号链相比，通过内置基准电压缓冲器，由于基准电压源驱动高阻抗节点，而不是SAR电容阵列的动态负载，因此用户可以实现功耗更低的基准电压源。而且可以灵活选择与所需模拟输入范围匹配的基准电压缓冲器输入电压。