هنگام طراحی با مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) ، به راحتی می توان باور داشت که کاهش سیگنال ورودی برای رسیدن به محدوده کامل ADC باعث کاهش قابل توجه نسبت سیگنال به نویز (SNR) می شود )
طراحان سیستم که نیاز به مقابله با نوسانات ولتاژ گسترده دارند ، به خصوص از این بابت نگران هستند. علاوه بر این ، در مقایسه با ADC های ولتاژ بالاتر ، ADC های ولتاژ پایین (5 ولت یا پایین) از تنوع بیشتری برخوردار هستند.
منبع تغذیه با ولتاژ بالاتر معمولاً منجر به مصرف برق بیشتر و طرح پیچیده تر برد مدار می شود (به عنوان مثال ، خازن های جداکننده بیشتری مورد نیاز است).
بسیاری از سیگنالهای تولید شده توسط سنسورها یا سیستمها سیگنالهای دو قطبی ولتاژ بالا هستند (مانند سیگنال ± 10 ولت) با این وجود ، روشهای ساده بسیاری برای انتقال این سیگنال از طریق ADC وجود دارد. از راه حل های مختلف ولتاژ بالا یکپارچه ADC نیز می توان استفاده کرد: این می تواند این سیگنال ورودی بزرگ را در مقیاس کامل کنترل کند بدون اینکه SNR را از بین ببرد. این راه حل ها برای تأمین نیازهای محدوده ورودی به ولتاژ تغذیه بسیار بالایی نیاز دارند و مصرف برق آنها نیز بسیار زیاد است (شکل 1). این ADC های فشار قوی همچنین باعث کاهش انتخاب راه حل های تهویه سیگنال (آمپ آمپر) می شوند. اگر سیگنال با ترکیبی از ورودی های ولتاژ بالا و ولتاژ پایین نیاز به مالتی پلکس داشته باشد ، هزینه سیستم به طور قابل توجهی افزایش می یابد (شکل 2).
همچنین می توانید از آمپلی فایر ورودی برای مقیاس گذاری سیگنال استفاده کنید تا با دامنه ورودی کامل در ADC ولتاژ پایین مطابقت داشته باشد. این مدار تهویه سیگنال را می توان به یک ورودی مالتی پلکس متصل کرد تا تمام سیگنال ها با دامنه ADC همسو باشند (شکل 3).
هنگام استفاده از تقویت کننده برای مقیاس گذاری ولتاژ سیگنال ، نویز به ورودی آمپلی فایر ارجاع می شود. در این زمان ، دو منبع اصلی نویز وجود دارد: نویز مرجع ورودی خود تقویت کننده ، و نویز مرجع ورودی کاهش یافته از ADC. این دو منبع سر و صدا در یک اصطلاح درجه دوم ترکیب می شوند. علاوه بر این ، نویز تقویت کننده نیز توسط پهنای باند ورودی ADC و فیلتر ضد aliasing بین تقویت کننده و ورودی ADC فیلتر می شود ، شکل 4 را ببینید.
شکل 4: تقویت کننده بزرگنمایی نویز را ایجاد می کند ، اما نویز توسط مدار RC و شبکه ورودی ADC فیلتر می شود.
فرمول محاسبه سیستم SNR (ترمینال ورودی تقویت کننده):
کجا: VnADC نویز RMS ورودی ADC است. VnOPA نویز مرجع ورودی تقویت کننده است (X برابر مرجع ورودی) = فرکانس تک قطبی -3dB.
با توجه به دامنه كامل ADC ، نویز مرجع ورودی ADC و فاكتور مقیاس تقویت كننده ، دو متغیر وجود دارد كه بر هدف كاهش تلفات SNR تأثیر می گذارد: فركانس قطع فیلتر و نویز مرجع ورودی تقویت كننده.
اگر منبع سیگنال دارای اجزای فرکانس پایین باشد ، می توان فیلتر را طوری طراحی کرد که تقویت کننده بتواند نویز ورودی بزرگتر را تحمل کند (نویز ورودی بیشتر معمولاً مربوط به مصرف برق کمتر و هزینه است). اگر ADC پهنای باند سیستم را محدود کند ، تقویت کننده باید نویز مرجع ورودی به اندازه کافی کم داشته باشد تا از دست دادن SNR در یک محدوده قابل قبول کنترل شود.
به عنوان مثال ، با توجه به سیگنال ورودی 10 ولت and و 5VP-P ADC در مقیاس کامل با SNR 92dB ، فاکتور مقیاس (نسبت ورودی به دامنه مقیاس کامل) 4 است. نویز مرجع ورودی ADC در صفحه داده 44.4 nV RMS است. با فرض اینکه فرکانس قطع فیلتر 10 کیلوهرتز باشد و نویز مرجع ورودی تقویت کننده 10nV / (هرتز) 1/2 باشد ، افت SNR برابر است با: SNR (از دست دادن) = 0.035dB.
اگر فیلتر وجود نداشته باشد و پهنای باند ADC 10 مگاهرتز فرض شود ، برای دستیابی به همان افت SNR ، نویز مرجع ورودی مورد نیاز 0.3nV / (Hz) 1/2 می شود. این نیاز بسیار سختگیرانه است.
برای یک ADC با همان پهنای باند 10 مگاهرتز ، اگر SNR (از دست دادن) = 0.5dB مجاز باشد ، میزان نویز تقویت کننده 4nV / (Hz) 1/2 است ، که اجرای آن نسبتاً آسان است.
بنابراین ، اگر پهنای باند سیستم و افت قابل قبول SNR داده شود ، افزودن یک تقویت کننده متناسب برای تبدیل سیگنال ولتاژ بالا به یک ولتاژ پایین ADC در محدوده مقیاس کامل ، یک راه حل کاملاً عملی خواهد بود. هنگام تغذیه سیگنال های متعدد با دامنه نوسان متفاوت به یک ADC ولتاژ پایین چند منظوره ، این راه حل می تواند به یک سیستم مقرون به صرفه دست یابد.
محصول دیگر ما:
