如何為ADC添加一個帶噪聲濾波器的數(shù)控PGA

1、如何為ADC添加一個帶噪聲濾波器的數(shù)控 PGA在一些應(yīng)用中，需要對高動態(tài)范圍的信號進(jìn)行數(shù)字化。一種常見的數(shù)字化 方法是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)前面添加一個外部可編程增益放大器(PGA)。只有一 少局部微控制器擁有內(nèi)部PGA但是，現(xiàn)在的一些PGA勻以一個或者多個輸入 通道單芯片的方式出售。這類 PGA增加了系統(tǒng)的本錢，并且由于是固定增益解 決方案，它通常會消耗更多的功率。本文為您介紹如何利用一個單可重置積分電路來實現(xiàn)PGA這種方法的好處是：解決方案本錢低且易于設(shè)計?？梢詳?shù)字方式控制和校正增益。使用低通濾波器減少信號噪聲，其在高噪聲的微控制器環(huán)境且用于小型模擬 信號時特別有用。截止頻率隨選定米樣速率

2、自動調(diào)節(jié)?？梢酝獠靠刂屏汶娢浑妷夯鶞?zhǔn)。單電源電路時，零電位通常設(shè)置為VREF/2這種方法讓其更易于操作。圖1顯示了這種根本電路，其在 ADC前面添加一個積分電路。該積分電路 可由信號fRES (1 =積分電路重置)重置。ADC由信號fSH控制，其連接至ADC 的采樣保持(SH)單元(1 =采樣，0二保持)。下降沿啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換周期。囹1 PGA塾結(jié)枸囹圖2顯示了圖1所示電路的單模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換周期。該周期被劃分為四個階段:1、“積分電路重置階段：重置積分電路為“ 0。2、“積分階段：積分電路重置信號被釋放，積分電路開始求積分。3、“采樣階段：ADC勺采樣保持單元對積分電路輸出采樣，即 VINT

3、。4、“ A/D轉(zhuǎn)換階段：采樣保持單元保持電壓，而 ADC開始轉(zhuǎn)換。Pqt iod Period PeriodPeriod圖2増益=1的單陽D周期積分階段的持續(xù)時間長短決定 PGA的增益，因為其輸入端上的電壓影響線性斜 線：積分時間翻倍，增益翻倍。圖 3說明了這種影響情況。積分時間翻倍，電 壓VSH也翻倍。Int 啊 Eor Ret*t Ptnodsun ofXAJO Convvrvion PeriodI ntvg ration PeriodSampte Ptdod(previous vnlue圉3 PGAte=2的單A/D期這種積分方法的一個重要好處是，積分期間對輸入信號求平均，其降低了 來

4、自輸入信號VIN的帶外噪聲。濾波器的脈沖響應(yīng)持續(xù)時間有限，其與數(shù)字 FIR濾波器而非標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器的性能相當(dāng)。PGA的實際配置反相放大器可以有一個單運算放大器圖4。利用開關(guān)組件S,通過讓電容 器C短路，可以重置積分電路。組件 R和C均影響積分電路的增益。gl4 PGA的賣聒駅畫信號VCOMfe定積分電路的零電位電壓并可進(jìn)行設(shè)置，例如，設(shè)置為 VREF/2其中VREF為ADC的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)電容器放電時，積分電路被設(shè)置為該 電壓值。通常，VCO信號可以任何方式出現(xiàn)在系統(tǒng)中。它常常被用作單電源模 擬信號鏈的一個虛擬接地或者偏置電壓，圖 5顯示了圖4所示電路的SPICE仿 真結(jié)果。藍(lán)色的點標(biāo)示了 AD

5、C的采樣矩。如下圖，信號 VIN被放大至約原來 的8倍。由于積分電路的反相動作，紅色信號被反相為綠色。1.901.70 二ADC OutputADC Sample Points1.60100OTime (ms)出b圖卯所示電路的SPICE仿真結(jié)果工作原理采樣速率、最大期望增益和 A/D轉(zhuǎn)換時間影響R和C定義積分常量的選 擇。如圖2和3所示，積分電路需要足夠的時間來到達(dá)增益G并且不超出積分期間的持續(xù)時間t。G和t的依賴關(guān)系可以計算如下：-tR x C開關(guān)S的關(guān)閉時間積分電路重置時間取決于開關(guān)的阻抗和電容器C的 值。校正R和C的容差帶來增益因數(shù)的改變。電容器應(yīng)有非常小的壓電效應(yīng)， 以獲得非常線性的

6、積分。電容器會有特別大的容差一例如：20%這只是初始容差，其可以獲得一次校正。老化效應(yīng)帶來的容差非常小不超過1%每年。通過把電壓應(yīng)用于輸入端，然后根據(jù)預(yù)計和實際值計算偏差和增益的 校正值，我們可以用與使用標(biāo)準(zhǔn) ADC時一樣的方法來對此處的增益和偏差進(jìn)行 校正。我們可以對應(yīng)用中使用的每一個增益因數(shù)進(jìn)行這種校正。電路改良：僅把PGAffl作一個低通濾波器增益=1如果不想要輸入信號放大，那么可以把 PGA電路僅用作一個噪聲濾波器。我們可 以將積分電路常量設(shè)置為某個能夠獲得固定增益 1的值。在這種情況下，積分 階段會在采樣之后立即開始，而保持階段會被設(shè)置為保持模式圖6。Ia-integral ion PenodSample kiURtor Period R«Mt Pftdod團(tuán)6 PGA電晡僅期件-個謔渡怨I >非反相積分圖4所示電路使用了一個反相積分電路。當(dāng)這種反相不可接受時，可以在 積分電路前面添加一個單電源反相緩沖器，從而讓非反相積分電路的使用成為 可能。此處介紹了一種高本錢效益且簡單的方法，用于在一些本錢和功率