工業(yè)過程中的高端測試/測量系統(tǒng)設(shè)計

作為真實(shí)世界信號與現(xiàn)代數(shù)字信號處理功能電路之間的關(guān)鍵使能接口——精準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程中的高端測試/測量系統(tǒng)。

但是，想要把傳感器或其它信號源連接至轉(zhuǎn)換器并獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品廣告中宣稱的所有性能，并不是一件容易的事，通常還需要用于提供緩沖、電壓保護(hù)或其他功能等附加電路的幫助。

那么，該如何簡化這個問題呢？

ADI 混合信號的高級設(shè)計工程師——Andrew Thomas對此談到一款新型LTC2358 8通道ADC的集成化微微安培輸入模擬緩沖器，它不僅實(shí)現(xiàn)了LTC2348 8通道逐次逼近型ADC出色的性能、任意輸入測量的能力和超群的靈活性，同時還具備高性能FET輸入緩沖。

這些緩沖器使得能夠圍繞信號的需求來設(shè)計信號調(diào)理，純電容性的pA級輸入可直接連接至多種精細(xì)的低電流傳感器，并簡化模擬抗混疊濾波器及其他功能電路的設(shè)計?，F(xiàn)在就為大家介紹其緩沖輸入可改善系統(tǒng)的幾種方法。

不少傳感器，甚至具有輸出的緩慢或精細(xì)傳感器，都可簡單直接連接至LTC2358，而不需要任何中間信號的調(diào)理。一般地，傳統(tǒng)的8通道ADC需要采用4個這樣的雙通道高電壓運(yùn)放來提供緩沖，而LTC2358卻可以通過免除這些運(yùn)放，從而大幅度節(jié)省電路板面積和功率。

這類傳感器直接連接簡單熱敏電阻電路，它可在ADC上產(chǎn)生一個與熱敏電阻和上方的固定電阻之比有關(guān)的電壓。不過需要注意的是，電阻器的頂端連接至ADC基準(zhǔn)可確保一個準(zhǔn)確的比例，即使在基準(zhǔn)漂移時，也不例外。

選擇熱敏電阻時，低電阻值會在熱敏電阻中導(dǎo)致較大的功耗，因而會損害測量準(zhǔn)確度。另一方面，采用高電阻值熱敏電阻時的準(zhǔn)確度則需要進(jìn)行非常高的輸入阻抗測量。這時，LTC2358的純電容性輸入就“發(fā)光”了；不過，可以通過增加一個20kΩ阻性元件提供更加優(yōu)良的準(zhǔn)確度。

LTC2358的高采樣速率和低噪聲允許采用一個與熱敏電阻并聯(lián)的開關(guān)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改善。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，熱敏電阻中無功耗，因此處于環(huán)境溫度水平。而需要進(jìn)行溫度測量時，這個開關(guān)就要短暫地斷開1ms，隨即完成測量。因此，熱敏電阻器幾乎沒有時間來使自身發(fā)熱。

下面這幅曲線圖顯示了完成一次精確測量的超快速度，以及在轉(zhuǎn)換操作持續(xù)100ms（遠(yuǎn)超所需的時間）時測量誤差的增加情況。這表明：在一個傳感器和LTC2358之間實(shí)現(xiàn)連接是很輕松的，不僅如此，其緩沖器還可以使得設(shè)計一個能夠干凈和透明地處理超范圍信號的系統(tǒng)更加容易，不管它們是作為正常運(yùn)行方式的一部分或是其它某種系統(tǒng)故障情況出現(xiàn)。

超范圍 ADC 輸入信號的出現(xiàn)有很多原因：有時就像把一個 2kg 物體放在一臺 1kg 秤上那么明顯；或者，它們也可能源于出故障的傳感器、電源或配線。這些狀況造成的后果：在最好情況下是一種干擾，而在最壞情況下則會損害性能。而LTC2358 有助簡化構(gòu)建能承受超范圍信號的高性能系統(tǒng)。

下面這根彩條以圖形化的方式顯示了在各種不同輸入電壓條件下 LTC2358 的預(yù)期運(yùn)行方式。當(dāng)模擬輸入電壓超過其編程全標(biāo)度時，ADC 不會出問題。例如，若一個輸入是針對 0V 至 5V 操作配置，但系統(tǒng)施加 10V 或任何高達(dá)高電壓電源差的電壓，則轉(zhuǎn)換器會簡單地報告一個飽和全標(biāo)度值。其他通道上的轉(zhuǎn)換結(jié)果仍然是準(zhǔn)確的，而且功耗并未增加。

在更嚴(yán)重的場合，輸入可能會被驅(qū)動至超過高電壓電源。例如，假如一個采用 40V電壓供電的放大器驅(qū)動 ADC，則在某種異常情況下該放大器或許會把一個輸入驅(qū)動至 40v。內(nèi)部二極管把模擬輸入箝位至高電壓電源，因此有必要限制電流以避免損壞器件或其他電路。

LTC2358 能容許引腳電壓被拉至超過其電源并具有高達(dá) 10mA 電流而無憂，所以簡單地布設(shè)一個與輸入相串聯(lián)的 2.5kΩ電阻器就能允許雜散輸入信號走至 40V。ADC 的高阻抗輸入可確保該串聯(lián)電阻在電路正常工作時不會造成性能下降，而且高達(dá) 40V 的電壓不會在其他 ADC 通道上導(dǎo)致準(zhǔn)確度受影響。把輸入拉至負(fù)電源以下 (低至 –40V) 也不會導(dǎo)致?lián)p壞，但是這會將使其他通道上的準(zhǔn)確度下降。如果超過這些限值，則ADC 和電阻器中的功耗將存在損壞器件的風(fēng)險。

對于其他可行的過驅(qū)動范圍可采用其他的電阻器阻值，并記住 10mA 的電流限值。例如，一個 10kΩ電阻器將允許施加 100V，在 10kΩ電阻器兩端施加 100V 電壓時的功耗為 1W。故需采用一個較高功率電阻器，但是解決方案仍然極為簡單和堅固。

那么該怎樣取消或簡化位于 ADC 前面的電路呢？可采用一些利用其極低輸入電流和寬共模范圍的更具創(chuàng)造性方式，把 LTC2358 集成到感測系統(tǒng)中。模擬輸入電流完全由結(jié)漏決定，而且在室溫下通常小于 10pA。這種低輸入電流意味著 LTC2358 可與極低水平的電流信號 (光電二極管的典型特征) 一起使用。

光電二極管是反向偏置二極管，專為傳導(dǎo)由二極管上的光照水平所決定的少量電流而設(shè)計。這個小電流信號通常由像這樣一個跨阻抗運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換為一個電壓，因而運(yùn)放的輸出電壓與二極管電流成比例，并且可以由一個 ADC 進(jìn)行數(shù)字化處理。

它也可以看作是一個極高的電阻，而且以高準(zhǔn)確度測量其電流要求任何連接至它的組件必需具有極低的輸入電流。因此，所示的運(yùn)放通常是一個 FET 輸入運(yùn)放。然而FET 運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓通常不是很好，它會影響輸出電壓的準(zhǔn)確度

LTC2358 能夠完成差分測量，因此可將其連接以測量電阻器兩端的電壓，而不是在運(yùn)放的輸出端上進(jìn)行測量。這種連接消除了運(yùn)放失調(diào)的影響和測量中的低頻噪聲。該電路的正常運(yùn)作主要源于LTC2358 本身具有非常低的輸入電流，在室溫下通常僅為幾 pA，所以它可以合理地直接連接至光電二極管，而不會干擾測量。

該光電二極管電路利用 LTC2358 的緩沖輸入得以實(shí)現(xiàn)。在更多的應(yīng)用中，若是采用低功率運(yùn)放來設(shè)計模擬信號濾波器和接口的工作也將因此而大為簡化。添加此功能到簡單的過驅(qū)動堅固性、直接傳感器連接和出眾的原生性能，將會使 LTC2358 成為適用于眾多多通道系統(tǒng)的卓越解決方案。