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定義系統(tǒng)噪聲性能
在前文中，詳細探討了 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)用到一個實際的設(shè)計示例中。 最終，目標(biāo)是為提供回答“我真正需要什么樣的噪聲性能？”這個問題所需的知識，讓用戶能夠輕松自信地為下一個應(yīng)用選擇 ADC。
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，讓我們分析一個使用類似于下圖所示的四線電阻橋的稱重應(yīng)用。
對于系統(tǒng)規(guī)格，假設(shè)您想要以每秒 5 個樣本 (SPS) 的速度進行采樣的靈敏度為 2 mV/V 和激勵電壓為 2.5 V 的電橋。這提供了 5 mV 的最大輸出電壓，對應(yīng)于 1 kg 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)。
| Parameter | System specification |
|---|---|
| 電橋靈敏度 | 2 mV/V |
| 激勵/參考電壓 | 2.5 V |
| 輸出數(shù)據(jù)速率 | 5 SPS |
| 重量范圍 | 1 kg |
| 重量分辨率 | 50 mg |
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行比較。 使用公式計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 16 位 ADC。 然而，高分辨率 Δ-Σ ADC 實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，最大輸入信號是激勵電壓 (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。 在這個級別上，即使是 24 位 ADC 也不足以滿足系統(tǒng)要求。為了補救這個問題，需要通過更改系統(tǒng)規(guī)格或放大輸入信號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，這一操作絕對會改變信號鏈的噪聲性能。
幸運的是，我們無需詳細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 50 SPS 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 1 V/V 至 128 V/V 的增益。
要確定此 ADC 是否滿足要求，需要分別重新計算每個增益設(shè)置的預(yù)期分辨率損失，因為每個增益設(shè)置都會導(dǎo)致不同的百分比利用率。然后，需要將此添加到上表中報告的每個相應(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)速率計算的系統(tǒng)無噪聲分辨率（以位為單位）。
在 5 SPS 下使用 32、64 或 128 V/V 的增益只能實現(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。
表中的一個關(guān)鍵要點是，沒有簡單的方法可以在不進行多次計算的情況下將數(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（參考）電壓從 2.5 V 提高到 5 V。您還將電橋靈敏度提高到 20 mV/V（這意味著您不能使用最高增益設(shè)置，因為這樣會超過ADC）。 正在探索以 20 SPS 而不是 5 SPS 進行采樣的選項。 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增益設(shè)置計算新的分辨率損失。 此外，您必須根據(jù) 5 V 參考電壓重新有效分辨率表格，因為該圖的計算使用 2.5 V 的參考電壓。最后，您必須通過減去計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參數(shù)的直接結(jié)果。 所以現(xiàn)在切換到使用絕對噪聲參數(shù)，看看分析是如何變化的。
使用輸入?yún)⒖荚肼?/strong>
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?需要知道它的最大輸出信號，即 5 mV。 還需要知道此最大信號對應(yīng)的重量范圍，即 1 kg。 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 250 nV 的峰峰值信號：
使用輸入?yún)⒖荚肼暤暮锰幹皇遣槐負?dān)心計算分辨率損失。相反，您可以直接將計算值與 ADC 的輸入?yún)⒖荚肼暠磉M行比較，以確定哪種設(shè)置組合可提供相同或更低級別的噪聲性能。
下表是ADS124S08 輸入?yún)⒖荚肼暠淼木啺妗Ｌ峁?≤250 nVPP 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行比較，您會發(fā)現(xiàn)上表提供了滿足系統(tǒng)要求的整個 ADS124S08 設(shè)置范圍。 而前面表中提供所選數(shù)據(jù)速率下的值，并要求針對不同的數(shù)據(jù)速率執(zhí)行新的計算，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 5 kg，重量分辨率增加到 500 mg，并將電橋的最大輸出信號保持在 5 mV，如公式 11 所示：
通過快速計算，可以確定系統(tǒng)噪聲要求已放寬至 500 nVPP，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)范允許您更快地進行采樣（高達 20 SPS）或降低增益（低至 4 V/V），同時仍能實現(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，但從第一個示例返回到 50-mg 重量分辨率。 保持最大電橋輸出相同 (5 mV)，現(xiàn)在需要 50 nVPP 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 ≤50 nVPP 的輸入?yún)⒖荚肼暤臄?shù)據(jù)速率和噪聲組合，并確認 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)果與相對參數(shù)進行比較。 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)最大突出顯示值計算系統(tǒng)的無噪聲分辨率來檢查這一點。 在表 12 中，該值為 23.5 位，使用 Sinc4 濾波器可在 16 V/V 的增益下獲得。
表格計算使用 5V 參考電壓，而不是系統(tǒng)指定的 2.5V 參考電壓。 為了補償這種差異，給出的每個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：
對許多人來說，這是一個令人沮喪的結(jié)果，這似乎證實了您為 ADC 無法實際提供的性能付出代價的恐懼。實際上在給定條件下利用了 48-nVPP 噪聲。 這是一個非常小的值，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 來實現(xiàn) 16.5 位的無噪聲分辨率（動態(tài)范圍），因為系統(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ADC 噪聲表進行比較。
輸入?yún)⒖荚肼曌钸m合定義系統(tǒng)性能：
能夠在 ADC 之間進行公平比較。
消除了對電壓基準(zhǔn)的依賴。
提供一系列適用的增益和數(shù)據(jù)速率設(shè)置。
專注于解析最小和最大信號——最大化動態(tài)范圍并不總是很重要。
工商網(wǎng)監(jiān)
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