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工业过程中的高端测试/测量系统设计

日期: 2019-03-02
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作为真实世界信号与现代数字信号处理功能电路之间的关键使能接口——精准模数转换器 ,广泛应用于工业过程中的高端测试/测量系统。


但是 ,想要把传感器或其它信号源连接至转换器并获得数据转换器产品广告中宣称的所有性能 ,并不是一件容易的事 ,通常还需要用于提供缓冲、电压保护或其他功能等附加电路的帮助。


那么 ,该如何简化这个问题呢?


ADI 混合信号的高级设计工程师——Andrew Thomas对此谈到一款新型LTC2358 8通道ADC的集成化微微安培输入模拟缓冲器 ,它不仅实现了LTC2348 8通道逐次逼近型ADC出色的性能、任意输入测量的能力和超群的灵活性 ,同时还具备高性能FET输入缓冲。


这些缓冲器使得能够围绕信号的需求来设计信号调理 ,纯电容性的pA级输入可直接连接至多种精细的低电流传感器 ,并简化模拟抗混叠滤波器及其他功能电路的设计。现在就为大家介绍其缓冲输入可改善系统的几种方法。


不少传感器 ,甚至具有输出的缓慢或精细传感器 ,都可简单直接连接至LTC2358 ,而不需要任何中间信号的调理。一般地 ,传统的8通道ADC需要采用4个这样的双通道高电压运放来提供缓冲 ,而LTC2358却可以通过免除这些运放 ,从而大幅度节电路板面积和功率。


这类传感器直接连接简单热敏电阻电路 ,它可在ADC上  产生一个与热敏电阻和上  方的固定电阻之比有关的电压。不过需要注意的是 ,电阻器的顶端连接至ADC基准可确保一个准确的比例 ,即使在基准漂移时 ,也不例外。


选择热敏电阻时 ,低电阻值会在热敏电阻中导致较大的功耗 ,因 而会损害测量准确度。另一方面 ,采用高电阻值热敏电阻时的准确度则需要进行非常高的输入阻抗测量。这时 ,LTC2358的纯电容性输入就“发光”了;不过 ,可以通过增加一个20kΩ阻性元件提供更加优良的准确度。


LTC2358的高采样速率和低噪声允许采用一个与热敏电阻并联的开关实现进一步的改善。当开关导通时 ,热敏电阻中无功耗 ,因 此处于环境温度水平。而需要进行温度测量时 ,这个开关就要短暂地断开1ms ,随即完成测量。因 此 ,热敏电阻器几乎没有时间来使自身发热。


下面这幅曲线图显示了完成一次精确测量的超快速度 ,以及在转换操作持续100ms(远超所需的时间)时测量误差的增加情况。这表明:在一个传感器和LTC2358之间实现连接是很轻松的 ,不仅如此 ,其缓冲器还可以使得设计一个能够干净和透明地处理超范围信号的系统更加容易 ,不管它们是作为正常运行方式的一部分或是其它某种系统故障情况出现。


超范围 ADC 输入信号的出现有很多原因 :有时就像把一个 2kg 物体放在一台 1kg 秤上  那么明显;或者 ,它们也可能源于出故障的传感器、电源或配线。这些状况造成的后果:在最好情况下是一种干扰 ,而在最坏情况下则会损害性能。而LTC2358 有助简化构建能承受超范围信号的高性能系统。


下面这根彩条以图形化的方式显示了在各种不同输入电压条件下 LTC2358 的预期运行方式。当模拟输入电压超过其编程全标度时 ,ADC 不会出问题。例如 ,若一个输入是针对 0V 至 5V 操作配置 ,但系统施加 10V 或任何高达高电压电源差的电压 ,则转换器会简单地报告一个饱和全标度值。其他通道上  的转换结果仍然是准确的 ,而且功耗并未增加。


在更严重的场合 ,输入可能会被驱动至超过高电压电源。例如 ,假如一个采用 40V电压供电的放大器驱动 ADC ,则在某种异常情况下该放大器或许会把一个输入驱动至 40v。内部二极管把模拟输入箝位至高电压电源 ,因 此有必要限制电流以避免损坏器件或其他电路。


LTC2358 能容许引脚电压被拉至超过其电源并具有高达 10mA 电流而无忧 ,所以简单地布设一个与输入相串联的 2.5kΩ电阻器就能允许杂散输入信号走至 40V。ADC 的高阻抗输入可确保该串联电阻在电路正常工作时不会造成性能下降 ,而且高达 40V 的电压不会在其他 ADC 通道上  导致准确度受影响。把输入拉至负电源以下 (低至 –40V) 也不会导致损坏 ,但是这会将使其他通道上  的准确度下降。如果超过这些限值 ,则ADC 和电阻器中的功耗将存在损坏器件的风险。


对于其他可行的过驱动范围可采用其他的电阻器阻值 ,并记住 10mA 的电流限值。例如 ,一个 10kΩ电阻器将允许施加 100V ,在 10kΩ电阻器两端施加 100V 电压时的功耗为 1W。故需采用一个较高功率电阻器 ,但是解决方案仍然极为简单和坚固。


那么该怎样取消或简化位于 ADC 前面的电路呢?可采用一些利用其极低输入电流和宽共模范围的更具创造性方式 ,把 LTC2358 集成到感测系统中。模拟输入电流完全由结漏决定 ,而且在室温下通常小于 10pA。这种低输入电流意味着 LTC2358 可与极低水平的电流信号 (光电二极管的典型特征) 一起使用。


光电二极管是反向偏置二极管 ,专为传导由二极管上  的光照水平所决定的少量电流而设计。这个小电流信号通常由像这样一个跨阻抗运放电路转换为一个电压 ,因 而运放的输出电压与二极管电流成比例 ,并且可以由一个 ADC 进行数字化处理。


它也可以看作是一个极高的电阻 ,而且以高准确度测量其电流要求任何连接至它的组件必需具有极低的输入电流。因 此 ,所示的运放通常是一个 FET 输入运放。然而FET 运放的输入失调电压通常不是很好 ,它会影响输出电压的准确度


LTC2358 能够完成差分测量 ,因 此可将其连接以测量电阻器两端的电压 ,而不是在运放的输出端上  进行测量。这种连接消除了运放失调的影响和测量中的低频噪声。该电路的正常运作主要源于LTC2358 本身具有非常低的输入电流 ,在室温下通常仅为几 pA ,所以它可以合理地直接连接至光电二极管 ,而不会干扰测量。


该光电二极管电路利用 LTC2358 的缓冲输入得以实现。在更多的应用中 ,若是采用低功率运放来设计模拟信号滤波器和接口的工作也将因 此而大为简化。添加此功能到简单的过驱动坚固性、直接传感器连接和出众的原生性能 ,将会使 LTC2358 成为适用于众多多通道系统的卓越解决方案。


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