Khi thiết kế với bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số (ADC), người ta dễ lầm tưởng rằng việc giảm tín hiệu đầu vào để đáp ứng phạm vi toàn dải của ADC sẽ làm giảm đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR ).
Các nhà thiết kế hệ thống, những người cần đối phó với sự thay đổi điện áp rộng đặc biệt quan tâm đến điều này. Ngoài ra, so với các bộ ADC được cấp nguồn bằng điện áp cao hơn, bộ ADC được cấp nguồn bằng điện áp thấp (5V hoặc thấp hơn) đa dạng hơn.
Việc cung cấp điện áp cao hơn thường dẫn đến mức tiêu thụ điện năng lớn hơn và cách bố trí bảng mạch phức tạp hơn (ví dụ, yêu cầu nhiều tụ điện tách hơn).
Nhiều tín hiệu do cảm biến hoặc hệ thống tạo ra là tín hiệu điện áp cao lưỡng cực (chẳng hạn như tín hiệu ± 10V được sử dụng rộng rãi). Tuy nhiên, có nhiều cách đơn giản để truyền tín hiệu này qua ADC; cũng có thể sử dụng các giải pháp ADC cao áp tích hợp khác nhau: nó có thể xử lý tín hiệu đầu vào quy mô lớn này mà không làm giảm SNR. Các giải pháp này yêu cầu điện áp cung cấp rất cao để đáp ứng các yêu cầu của dải đầu vào, và công suất tiêu thụ của chúng cũng khá lớn (Hình 1). Các ADC điện áp cao này cũng thu hẹp lựa chọn các giải pháp điều hòa tín hiệu (op amp). Nếu tín hiệu cần được ghép kênh với sự kết hợp của đầu vào điện áp cao và điện áp thấp, chi phí hệ thống sẽ tăng lên đáng kể (Hình 2).
Bạn cũng có thể sử dụng bộ khuếch đại đầu vào để chia tỷ lệ tín hiệu cho phù hợp với phạm vi đầu vào toàn quy mô của ADC điện áp thấp. Mạch điều hòa tín hiệu này có thể được kết nối với một đầu vào ghép kênh để tất cả các tín hiệu có thể phù hợp với dải ADC (Hình 3).
Khi sử dụng bộ khuếch đại để chia tỷ lệ điện áp tín hiệu, nhiễu được tham chiếu đến đầu vào bộ khuếch đại. Tại thời điểm này, có hai nguồn nhiễu chính: nhiễu tham chiếu đầu vào của chính bộ khuếch đại và nhiễu tham chiếu đầu vào giảm của ADC. Hai nguồn nhiễu này được kết hợp theo một thuật ngữ bậc hai. Ngoài ra, nhiễu của bộ khuếch đại cũng được lọc bởi băng thông đầu vào của ADC và bộ lọc khử răng cưa giữa bộ khuếch đại và đầu vào ADC, xem Hình 4.
Hình 4: Bộ khuếch đại thu phóng đưa vào nhiễu, nhưng nhiễu được lọc bởi mạch RC và mạng đầu vào của ADC.
Công thức tính SNR của hệ thống (đầu vào bộ khuếch đại) là:
Trong đó: VnADC là nhiễu RMS đầu vào của ADC; VnOPA là nhiễu tham chiếu đầu vào của bộ khuếch đại (X nhân với tham chiếu đầu vào) = tần số -3dB đơn cực.
Với phạm vi toàn quy mô của ADC, nhiễu tham chiếu đầu vào ADC và hệ số thang đo của bộ khuếch đại, có hai biến số sẽ ảnh hưởng đến mục tiêu giảm suy hao SNR: tần số cắt của bộ lọc và nhiễu tham chiếu đầu vào của bộ khuếch đại.
Nếu nguồn tín hiệu có các thành phần tần số thấp, một bộ lọc có thể được thiết kế để bộ khuếch đại có thể chịu được nhiễu đầu vào lớn hơn (nhiễu đầu vào cao hơn thường liên quan đến tiêu thụ điện năng và chi phí thấp hơn). Nếu ADC giới hạn băng thông của hệ thống, bộ khuếch đại cần có nhiễu tham chiếu đầu vào đủ thấp để kiểm soát suy hao SNR trong phạm vi chấp nhận được.
Ví dụ: với tín hiệu đầu vào ± 10V và bộ ADC toàn dải 5VP-P với SNR là 92dB, hệ số thang đo (tỷ lệ của đầu vào so với dải toàn quy) là 4. Nhiễu tham chiếu đầu vào ADC trong bảng dữ liệu là 44.4 nV RMS. Giả sử tần số cắt của bộ lọc là 10kHz và nhiễu tham chiếu đầu vào của bộ khuếch đại là 10nV / (Hz) 1/2, suy hao SNR là: SNR (suy hao) = 0.035dB.
Nếu không có bộ lọc và băng thông ADC được giả định là 10MHz, để đạt được cùng mức suy hao SNR, nhiễu tham chiếu đầu vào yêu cầu sẽ trở thành 0.3nV / (Hz) 1/2. Yêu cầu này rất nghiêm ngặt.
Đối với một ADC có cùng băng thông 10MHz, nếu cho phép SNR (suy hao) = 0.5dB, yêu cầu nhiễu của bộ khuếch đại là 4nV / (Hz) 1/2, tương đối dễ thực hiện.
Do đó, nếu băng thông hệ thống và suy hao SNR cho phép được đưa ra, thì việc bổ sung một bộ khuếch đại tỷ lệ để chuyển đổi tín hiệu cao áp thành ADC điện áp thấp trong phạm vi toàn dải sẽ là một giải pháp hoàn toàn khả thi. Khi cấp nhiều tín hiệu với các biên độ dao động khác nhau đến một bộ ADC điện áp thấp được ghép nối, giải pháp này có thể đạt được một hệ thống hiệu quả về chi phí.
sản phẩm khác của chúng tôi:
