在高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，人們可能很少注意到，實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)的最大障礙通常出現(xiàn)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前的信號(hào)輸入通道。在進(jìn)入復(fù)雜的混合信號(hào)電路之前，小信號(hào)處理電路非常關(guān)鍵。在小信號(hào)處理電路中，由放大器帶來(lái)的噪聲是不可避免的，事實(shí)上這將決定系統(tǒng)可能實(shí)現(xiàn)的最佳信噪比。在本文中，我們將以稱重計(jì)和溫度測(cè)量為應(yīng)用實(shí)例，討論在測(cè)試應(yīng)用中如何通過(guò)高精度放大器提高測(cè)量精度的方法。

1. 稱重計(jì)應(yīng)用

稱重計(jì)應(yīng)用在工業(yè)測(cè)控的各種場(chǎng)合中，滿量程從小于250磅到上千噸。稱重計(jì)都是基于薄膜金屬應(yīng)變片加上精心設(shè)計(jì)的金屬桿結(jié)構(gòu)，這些應(yīng)變片連接成傳統(tǒng)的電橋結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)最大的靈敏度。它通?？梢蕴峁?~4mV/V的滿量程輸出，而采用5V激勵(lì)的最大輸出信號(hào)就是20mV。

在1盎司分辨率的高性能測(cè)量條件下，要顯示多達(dá)1噸(2000磅)的重量量程，我們將需要超過(guò)30,000個(gè)計(jì)數(shù)。為了在這個(gè)分辨率獲得精確的測(cè)量，需要一個(gè)可以提供125倍信號(hào)增益的放大器將A/D轉(zhuǎn)換器的20mV的輸出提高到2.5V，而且環(huán)路增益需要超過(guò)30,000，以保證滿足其分辨率的線性度。

2. 溫度傳感器

高精度溫度測(cè)量是高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器十分普通和迫切需要的另一種應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，所選用的傳感器是熱電偶。K型比例系數(shù)為每度大約40uV，而S型熱電偶的輸出大約為每度10uV。在測(cè)量范圍內(nèi)必須對(duì)非線性誤差進(jìn)行校正非常重要，這使測(cè)量工作進(jìn)一步復(fù)雜化。在使用熱電偶時(shí)還會(huì)遇到其它電路問(wèn)題，如熱電偶的連接需要保護(hù)電路等。

在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，熱電偶的輸出通常可以達(dá)到20mV到50mV，或更高。在使用K型接點(diǎn)的情況下，在1,000度范圍內(nèi)獲得0.1度分辨率的測(cè)量精度(或者是10,000個(gè)計(jì)數(shù))，使?jié)M量程測(cè)量等于40mV似乎簡(jiǎn)潔當(dāng)?shù)姆椒?。其他誤差包括運(yùn)算放大器的輸入漂移和0.25至0.5度的熱電偶非線性誤差。

3. 熱電堆

熱電堆(thermopile)是熱電偶的一個(gè)變種，它由若干薄膜熱電偶接點(diǎn)層組成一個(gè)傳感器堆，其每個(gè)金屬接線對(duì)都是由一個(gè)隱藏的“冷”邊和一個(gè)暴露在入射光的“熱”邊組成。它可用來(lái)進(jìn)行激光功率、熱和火焰檢測(cè)測(cè)量。滿量程輸出通常不到1mV，10萬(wàn)分之一滿量程的測(cè)量光輸出相當(dāng)于不到10毫微伏。對(duì)于這種應(yīng)用，找到一個(gè)低成本、高增益、低噪聲和低漂移放大器將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

影響精度的誤差分析

典型的AD轉(zhuǎn)換器主要的誤差影響因素包括參考電壓誤差、放大器誤差、傳感器誤差以及噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響。了解這些誤差有助于設(shè)計(jì)工程師更好地應(yīng)對(duì)提高測(cè)量精度的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

1. 參考電壓誤差

因?yàn)閰⒖茧妷菏怯脕?lái)與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較的，因此這個(gè)參考電壓的實(shí)際值非常重要，需要對(duì)參考電壓進(jìn)行周期性校準(zhǔn)或軟件校準(zhǔn)以修正這個(gè)基本的測(cè)量誤差。而且，精心設(shè)計(jì)的參考電壓可以用來(lái)最大限度地減少由于溫度造成的漂移。在超過(guò)0℃至40℃的條件下，一個(gè)100ppm/℃的溫度系數(shù)的誤差可能是4,000ppm，或滿量程范圍的0.4%。我們能夠利用軟件修正這個(gè)誤差，不過(guò)它將直接降低有效范圍。

2. 放大器誤差

由輸入放大器直接強(qiáng)加在輸入信號(hào)上的誤差會(huì)影響測(cè)量精度。以測(cè)壓力元件為例，一個(gè)20mV的滿量程信號(hào)將會(huì)有5%偏移，即1mV輸入偏置電壓。這個(gè)輸入偏置誤差可以直接降低測(cè)量精度，用足夠動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換器就可能利用軟件消除這個(gè)誤差。這個(gè)誤差也有一個(gè)與溫度有關(guān)的成份，稱為輸入偏置漂移，必須認(rèn)真考慮并進(jìn)行修正。偏置電流，也稱為輸入漏電流，它能在高阻抗傳感器或傳感器管腳或者是傳感器與放大器輸入之間的任何阻抗上造成直接的電壓偏置誤差。例如，如果輸入偏置電流為0.1微安，在10歐姆電阻上的電壓降就將產(chǎn)生1微伏的誤差。

3. 傳感器誤差

修正傳感器誤差可能很困難。以測(cè)壓力元件為例，雖然在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行了仔細(xì)的線性校準(zhǔn)，但是應(yīng)用中不同設(shè)備之間的輸出比例系數(shù)的變化仍然高達(dá)25%。在上述的稱重實(shí)例中，參考電壓通常是由測(cè)壓元件的激勵(lì)產(chǎn)生的，產(chǎn)生一種比例式測(cè)量(ratiometric measurement)方法，該方法可消除漂移誤差。偏置電流與橋接電流量的比值可直接影響測(cè)量的精度。熱電偶中的阻抗、熱電堆保護(hù)和補(bǔ)償電路使輸入漏電流變得尤其重要。

4. 噪聲影響

噪聲有許多來(lái)源，而且通常是整個(gè)系統(tǒng)性能的決定性因素。來(lái)自外部的噪聲更加難以控制，包括來(lái)自附近高速的數(shù)字邏輯電路、電源、風(fēng)扇電機(jī)、電磁閥和射頻EMI的耦合噪聲，通過(guò)小心的接地設(shè)計(jì)、屏蔽技術(shù)和電路板布局等對(duì)于實(shí)現(xiàn)預(yù)期精度非常關(guān)鍵。選擇一個(gè)引入噪聲最小、具有消除外部引入誤差并具有足夠增益帶寬的緩沖放大器，與上述減少任何輸入誤差的方法同樣重要。

可以根據(jù)引入的噪聲大小評(píng)價(jià)高精度放大器，在該測(cè)量對(duì)一項(xiàng)特定應(yīng)用很重要時(shí)，其噪聲量通常是根據(jù)對(duì)不受限制帶寬(寬頻帶)信號(hào)的測(cè)量值來(lái)確定的，或者是在確定的帶寬上得到的值。噪聲規(guī)范通常是作為輸入?yún)⒖荚肼?，它是在輸出與輸入短路的條件下測(cè)量得出的值，因此完全是因?yàn)榉糯笃鞅旧懋a(chǎn)生的噪聲。

使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，背景噪聲是可用測(cè)量精度的決定性因素。當(dāng)一個(gè)器件的額定分辨率為24位時(shí)，由于噪聲導(dǎo)致的局限性，通常轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的實(shí)際精度更低。例如放大器的規(guī)格，制造商是根據(jù)噪聲電平來(lái)確定他們的產(chǎn)品的，或者是根據(jù)極低噪聲或有效位(分辨率，也稱為ENOB)。事實(shí)上，有效位規(guī)格是由噪聲電平RMS值計(jì)算出來(lái)的，極低噪聲值則是基于峰-峰值，通常相當(dāng)于統(tǒng)計(jì)RMS值的6.6倍之多。因此，極低噪聲規(guī)格表示的是轉(zhuǎn)換器的有效分辨率，在背景噪聲以上LSB位依然保持穩(wěn)定。由于這個(gè)值基于輸入范圍與測(cè)量得到的噪聲的比值，需要特別注意的是規(guī)格中的限制條件，例如參考電壓和輸入范圍可能因應(yīng)用不同而異，數(shù)據(jù)手冊(cè)上所承諾的與實(shí)際比值可能有相當(dāng)大的差異。

放大器解決方案

我們已經(jīng)了解到許多應(yīng)用需要優(yōu)異性能，放大器就是一種可有效地修正自身誤差的低成本器件，同時(shí)也可以保證高增益配置的穩(wěn)定性。斬波放大器是一種典型的可自修正放大器。

目前，優(yōu)良的斬波放大器能夠很容易地實(shí)現(xiàn)幾個(gè)微伏的初始偏置誤差及低漂移。不過(guò)，像任何放大器設(shè)計(jì)一樣，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪聲和高增益具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。如上述的稱重例子，其信號(hào)增益需要保持100,000個(gè)測(cè)量計(jì)數(shù)的精度。這相當(dāng)于至少需要1,250萬(wàn)的增益，最少也要142dB增益。而噪聲使得在高增益電路中要實(shí)現(xiàn)這么高的增益更加困難。

簡(jiǎn)言之，對(duì)這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一個(gè)放大器的噪聲水平需要與其它誤差達(dá)到同樣的范圍。所有的半導(dǎo)體放大器都會(huì)有1/f噪聲，也稱為閃爍噪聲(flicker noise)，它是由于材料而產(chǎn)生的一種基本現(xiàn)象。與頻率相反，在一個(gè)特定的噪聲拐點(diǎn)以下，噪聲密度將呈指數(shù)增加，而且在低頻時(shí)變得有非常大。在200Hz的典型信號(hào)帶寬內(nèi)，一個(gè)允許我們?cè)?0mV滿量程信號(hào)時(shí)保持18位分辨率的放大器需要有10nV/rt-Hz左右的噪聲密度。很少有放大器能低成本地以單芯片實(shí)現(xiàn)這種低噪聲和高增益的組合特性。

要實(shí)現(xiàn)這樣的性能水平，設(shè)計(jì)師通?？梢栽O(shè)計(jì)混合的多放大器系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)采用一種具有高輸入阻抗、輸入糾錯(cuò)電路和第二個(gè)(或第三個(gè))補(bǔ)償放大器的輸入放大器組合，以實(shí)現(xiàn)所需的增益。這些電路既昂貴又難以實(shí)現(xiàn)。集中于一個(gè)參數(shù)的放大器經(jīng)常在其他方面帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題，例如JFET輸入放大器就是因高輸入偏置誤差而著稱。分立式斬波放大器電路也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但具有高復(fù)雜性和高成本。CirrusLogic公司推出的CS3000系列放大器實(shí)現(xiàn)了良好的噪聲性能。當(dāng)斬波做得很好時(shí)，特別有利于降低低頻應(yīng)用中的1/f噪聲，CS3000電路可消除輸入偏置誤差，運(yùn)行于相當(dāng)高的時(shí)鐘速率。

利用多個(gè)內(nèi)部增益級(jí)和細(xì)微最優(yōu)化的補(bǔ)償，CS3000系列放大器可提供優(yōu)異的開環(huán)增益，以及幾乎2MHz的調(diào)整增益帶寬。不過(guò)，這些器件為低于2kHz的信號(hào)進(jìn)行了內(nèi)部?jī)?yōu)化，可最大限度地減少功耗，當(dāng)用于高于50V/V的增益配置時(shí)，需要進(jìn)行外部補(bǔ)償。值得注意的是，高開環(huán)增益可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：1.

傳感器增益是要求獲得微小的傳感器信號(hào)，該信號(hào)能夠被A/D轉(zhuǎn)換器精確地測(cè)量到；2. 其余的增益需要保持動(dòng)態(tài)精度。

在熱電堆應(yīng)用的實(shí)例。當(dāng)暴露在高水平的紅外輻射下時(shí)，這個(gè)器件可輸出幾個(gè)毫伏的滿度電壓。在這個(gè)電路中CS3001所提供的增益是650V/V(56dB)，結(jié)果可產(chǎn)生大約1.5V的滿度信號(hào)，有超過(guò)140dB(最小)的增益裕量以保證線性誤差。這樣，A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量精度將可超過(guò)17位。