利用ADC噪聲分析進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)

第第頁利用ADC噪聲分析進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)定義系統(tǒng)噪聲性能

在前文中，詳細(xì)探討了（ADC）噪聲性能，從其特性和來源到如何測量和指定。現(xiàn)在，將把前面的理論理解應(yīng)用到一個(gè)實(shí)際的設(shè)計(jì)示例中。最終，目標(biāo)是為提供回答“我真正需要什么樣的噪聲性能？”這個(gè)問題所需的知識(shí)，讓用戶能夠輕松自信地為下一個(gè)應(yīng)用選擇（AD）C。

系統(tǒng)規(guī)范

我將通過定義應(yīng)用的系統(tǒng)規(guī)范、將這些規(guī)范轉(zhuǎn)換為目標(biāo)噪聲性能參數(shù)并使用該信息來比較潛在的ADC來開始該示例。例如，讓我們分析一個(gè)使用類似于下圖所示的四線電阻橋的稱重應(yīng)用。

對(duì)于系統(tǒng)規(guī)格，假設(shè)您想要以每秒5個(gè)樣本(SPS)的速度進(jìn)行采樣的靈敏度為2mV/V和激勵(lì)電壓為2.5V的電橋。這提供了5mV的最大輸出電壓，對(duì)應(yīng)于1kg的重量范圍。我們還假設(shè)您希望能夠解決50毫克的最小應(yīng)用重量。下表總結(jié)了這些參數(shù)。

Pa（ram）eterSystemspecification電橋靈敏度2mV/V激勵(lì)/參考電壓2.5V輸出數(shù)據(jù)速率5SPS重量范圍1kg重量分辨率50mg現(xiàn)在已經(jīng)掌握了系統(tǒng)規(guī)格，將它們轉(zhuǎn)換為常見的噪聲參數(shù)，以幫助您選擇ADC。

定義系統(tǒng)噪聲參數(shù)

建議使用輸入?yún)⒖荚肼晛矶x系統(tǒng)噪聲參數(shù)并選擇ADC。但讓我們從使用無噪聲計(jì)數(shù)和無噪聲分辨率的更常見方法開始。然后，您可以將此方法與直接使用輸入?yún)⒖荚肼曔M(jìn)行比較。使用公式計(jì)算您的初始噪聲參數(shù)：

由于所需的14.3位無噪聲分辨率，可能很快得出結(jié)論，只需要一個(gè)16位ADC。然而，高分辨率Δ-ΣADC實(shí)際可以提供的無噪聲分辨率取決于ADC滿量程范圍的利用率百分比。在本例中，系統(tǒng)使用2.5V參考電壓，最大輸入（信號(hào)）是激勵(lì)電壓(2.5V)和電橋靈敏度(2mV/V)的乘積。

公式顯示了預(yù)期分辨率損失：

由于只使用了可用滿量程范圍的0.1%，因此將損失近10位的分辨率。在這個(gè)級(jí)別上，即使是24位ADC也不足以滿足系統(tǒng)要求。為了補(bǔ)救這個(gè)問題，需要通過更改系統(tǒng)規(guī)格或放大輸入信號(hào)來提高利用率百分比。假設(shè)您幾乎無法（控制系統(tǒng)）所需的內(nèi)容，那么您只能獲得輸入，這一操作絕對(duì)會(huì)改變信號(hào)鏈的噪聲性能。

幸運(yùn)的是，我們無需詳細(xì)了解放大器噪聲如何影響系統(tǒng)性能即可繼續(xù)分析。可以利用現(xiàn)有知識(shí)分析具有集成PGA的ADC的數(shù)據(jù)表噪聲表，以確定它是否滿足系統(tǒng)要求。

例如，下表顯示了高達(dá)50SPS的24位ADS124S08的有效和無噪聲分辨率表，其中突出顯示了目標(biāo)數(shù)據(jù)速率。ADS124S08包括1V/V至128V/V的增益。

要確定此ADC是否滿足要求，需要分別重新計(jì)算每個(gè)增益設(shè)置的預(yù)期分辨率損失，因?yàn)槊總€(gè)增益設(shè)置都會(huì)導(dǎo)致不同的百分比利用率。然后，需要將此添加到上表中報(bào)告的每個(gè)相應(yīng)的無噪聲分辨率值中，以查看它是否符合系統(tǒng)規(guī)范。

下表列出了這些不同的值以及使用ADS124S08以5-SPS數(shù)據(jù)速率計(jì)算的系統(tǒng)無噪聲分辨率（以位為單位）。

在5SPS下使用32、64或128V/V的增益只能實(shí)現(xiàn)所需的14.3位系統(tǒng)無噪聲分辨率。

下表在數(shù)據(jù)表噪聲表的上下文中突出顯示了這些值。

表中的一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)是，沒有簡單的方法可以在不進(jìn)行多次計(jì)算的情況下將數(shù)據(jù)表中的值與系統(tǒng)噪聲參數(shù)相關(guān)聯(lián)。雖然這在計(jì)算結(jié)果后現(xiàn)在可能不相關(guān)，但如果系統(tǒng)規(guī)格突然發(fā)生變化怎么辦？

假設(shè)決定將激勵(lì)（參考）電壓從2.5V提高到5V。您還將電橋靈敏度提高到20mV/V（這意味著您不能使用最高增益設(shè)置，因?yàn)檫@樣會(huì)超過ADC）。正在探索以20SPS而不是5SPS進(jìn)行采樣的選項(xiàng)。這些變化如何影響您的ADC噪聲分析？

要確定答案，您必須在新的數(shù)據(jù)速率和參考電壓下為每個(gè)增益設(shè)置計(jì)算新的分辨率損失。此外，您必須根據(jù)5V參考電壓重新有效分辨率表格，因?yàn)樵搱D的計(jì)算使用2.5V的參考電壓。最后，您必須通過減去計(jì)算的分辨率損失來重新創(chuàng)建使用5V參考電壓創(chuàng)建的無噪聲分辨率表。

這需要做很多工作，并且是無噪聲分辨率作為相對(duì)參數(shù)的直接結(jié)果。所以現(xiàn)在切換到使用絕對(duì)噪聲參數(shù)，看看分析是如何變化的。

使用輸入?yún)⒖荚肼?/p>

與無噪聲分辨率一樣，只需了解一些系統(tǒng)規(guī)格即可確定您的電橋所需的輸入?yún)⒖荚肼暋Ｐ枰浪淖畲筝敵鲂盘?hào)，即5mV。還需要知道此最大信號(hào)對(duì)應(yīng)的重量范圍，即1kg。最后，需要知道您的體重分辨率，即50毫克。借助這幾位信息，可以使用下面的公式確定ADC需要能夠解析250nV的峰峰值信號(hào)：

使用輸入?yún)⒖荚肼暤暮锰幹皇遣槐負(fù)?dān)心計(jì)算分辨率損失。相反，您可以直接將計(jì)算值與ADC的輸入?yún)⒖荚肼暠磉M(jìn)行比較，以確定哪種設(shè)置組合可提供相同或更低級(jí)別的噪聲性能。

下表是ADS124S08輸入?yún)⒖荚肼暠淼木啺妗Ｌ峁?50nVPP的輸入?yún)⒖荚肼暤脑鲆婧蛿?shù)據(jù)速率設(shè)置的任何組合。

如果將表中的結(jié)果與前面表中使用無噪聲分辨率的分析進(jìn)行比較，您會(huì)發(fā)現(xiàn)上表提供了滿足系統(tǒng)要求的整個(gè)ADS124S08設(shè)置范圍。而前面表中提供所選數(shù)據(jù)速率下的值，并要求針對(duì)不同的數(shù)據(jù)速率執(zhí)行新的計(jì)算，從而使這種方法不太適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)范的變化。

系統(tǒng)變化的影響

現(xiàn)在假設(shè)已將重量范圍增加到5kg，重量分辨率增加到500mg，并將電橋的最大輸出信號(hào)保持在5mV，如公式11所示：

通過快速計(jì)算，可以確定系統(tǒng)噪聲要求已放寬至500nVPP，從而為您提供更多增益和數(shù)據(jù)速率組合。下表中表明，這些寬松的系統(tǒng)規(guī)范允許您更快地進(jìn)行采樣（高達(dá)20SPS）或降低增益（低至4V/V），同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)必要的噪聲性能。

如果體重秤需要更高的分辨率怎么辦？

例如，保留5-kg重量范圍要求，但從第一個(gè)示例返回到50-mg重量分辨率。保持最大電橋輸出相同(5mV)，現(xiàn)在需要50nVPP的輸入?yún)⒖荚肼?，這非常低。ADS124S08增益和數(shù)據(jù)速率的組合無法提供這種級(jí)別的性能。但由于可以輕松地使用任何ADC執(zhí)行相同的分析，因此只需選擇具有更好噪聲性能的ADC。

下表顯示了ADS1262的噪聲表，這是一款32位ADC，功能類似于ADS124S08，但提供更好的噪聲性能。表中的青色陰影表示提供≤50nVPP的輸入?yún)⒖荚肼暤臄?shù)據(jù)速率和噪聲組合，并確認(rèn)ADS1262可以滿足您系統(tǒng)的新分辨率要求。

為了論證，將輸入?yún)⒖荚肼暯Y(jié)果與相對(duì)參數(shù)進(jìn)行比較。下表突出顯示了ADS1262在與下表所示相同的數(shù)據(jù)速率和增益配置下的無噪聲分辨率性能。

在前文中提到不必要地關(guān)注最大化其無噪聲分辨率（動(dòng)態(tài)范圍）。可以通過在系統(tǒng)所需的5-SPS數(shù)據(jù)速率下根據(jù)最大突出顯示值計(jì)算系統(tǒng)的無噪聲分辨率來檢查這一點(diǎn)。在表12中，該值為23.5位，使用Sinc4（濾波器）可在16V/V的增益下獲得。

表格計(jì)算使用5V參考電壓，而不是系統(tǒng)指定的2.5V參考電壓。為了補(bǔ)償這種差異，給出的每個(gè)分辨率值都必須減少一位。這意味著在給定條件下，您只能期望最大22.5位的無噪聲分辨率。您現(xiàn)在可以計(jì)算ADS1262在這些設(shè)置下的預(yù)期分辨率損失。

使用公式的結(jié)果，使用32位ADC的系統(tǒng)無噪聲分辨率僅為16.5位：

對(duì)許多人來說，這是一個(gè)令人沮喪的結(jié)果，這似乎證實(shí)了您為ADC無法實(shí)際提供的性能付出代價(jià)的恐懼。實(shí)際上在給定條件下利用了48-nVPP噪聲。這是一個(gè)非常小的值，沒有16位ADC和極少數(shù)24位ADC可以提供。

需要如此高分辨率的ADC來實(shí)現(xiàn)16.5位的無噪聲分辨率（動(dòng)態(tài)范圍），因?yàn)橄到y(tǒng)需要極低的噪聲性能。這就是為什么使用輸入?yún)⒖荚肼晛矶x系統(tǒng)性能和選擇ADC是有意義的。

小結(jié)

使用通用過程：

將（傳感器）輸入（溫度、重量、（電流）、電阻等）轉(zhuǎn)換為電壓。

定義系統(tǒng)分辨率和范圍。

與