适合宽动态范围信号调理的灵活4通道模拟前端

电路功能与优势

图1所示电路是一种灵活的信号调理电路，用于处理宽动态范围（从几mV p-p到20 V p-p）的信号。该电路利用高分辨率模数转换器（ADC）的内部可编程增益放大器（PGA）来提 供必要的调理和电平转换并实现动态范围。

在过程控制和工业自动化应用中，±10 V满量程信号非常常见；然而，有些情况下，信号可能小到只有几mV。用现代低压ADC处理±10 V信号时，必须进行衰减和电平转换。但是，对小信号而言，需要放大才能利用ADC的动态范围。因此，在输入信号的变化范围较大时，需要使用带可编程增益功能的电路。

此外，小信号可能具有较大的共模电压摆幅；因此需要较高的共模抑制（CMR）性能。在某些源阻抗较大的应用中，模拟前端输入电路也需要具有高阻抗。

 

图1. 适合宽工业范围信号调理的灵活模拟前端电路

图1所示电路解决了所有这些难题，并提供了可编程增益、高CMR和高输入阻抗。输入信号经过4通道ADG1409 多路复用器进入 AD8226低成本、宽输入范围仪表放大器。AD8226 提供高达80dB的高共模抑制（CMR）和非常高的输入阻抗（差模800M和共模400M）。宽输入范围和轨到轨输出使得AD8226可以充分利用供电轨。

AD8475是一款全差分衰减放大器，集成精密增益电阻，可提供精密衰减（G=0.4或G=0.8）、共模电平转换及单端差分转换功能AD8475是一种易于使用、完全集成的精密增益模块，采用单电源供电时，最高可处理±10 V的信号电平。因此，AD8475适用于衰减来自AD8226且最高20Vp-p的信号，同时维持高CMR性能并提供差分输出来驱动差分输入ADC。

AD7192是一款内置PGA的24位ADC。片内低噪声增益级（G=1、8、16、32、64或128）意味着可直接向该ADC输入小信号。

结合上述器件，对幅度会变化的信号而言，该电路可以提供非常好的性能且易于配置。该电路适合工业自动化、过程控制、仪器仪表和医疗设备应用。

电路描述

该电路包含一个ADG1409多路复用器、一个AD8226仪表放大器、一个AD8475差动放大器、一个AD7192Σ-Δ型ADC（带 ADR444基准电压源）以及 ADP1720稳压器。只需少量外部元件来提供保护、滤波和去耦，使得该电路具有高集成度，而且所需的电路板（印刷电路板［PCB］）面积较小。

稳压器和基准电压源的选择

该电路选择ADP1720-5作为5 V稳压器。它是一款高压、微功耗、低压差线性稳压器，适合工业应用。

该电路选择4.096V ADR444作为基准电压源。它是一款超低噪声、高精度、低压差器件，特别适合高分辨率、∑-△型ADC和精密数据采集系统。

输入开关和保护

ADG1409 多路复用器拥有2位二进制地址线，可用于选择四种可能的输入通道之一。该设计还包括外部保护功能，如标准二极管和瞬态电压抑制器，用以增强电路的鲁棒性。这些在图1中并未显示，但是在CN0251设计支持包的详细原理图及其它文档中有所展示。

ADG1409多路复用器配置为接收四路差分输入信号：（VS1A−VS1B）、（VS2A−VS2B）、（VS3A−VS3B）和（VS4A−VS4B）。多路复用器的输出（DA和DB）施加于 AD8226仪表放大器的输入端。

AD8226输入仪表放大器

外部RG电阻设置AD8226的增益。对于该电路，省略了RG，且仪表放大器级的增益为1。因此，AD8226的输出为VSxA–VSxB，其中x为输入通道编号。

AD8226的差分输入由两个4.02k电阻和一个10nF电容进行滤波，这些电阻和电容构成一个截止频率为2.0kHz的单极点RC滤波器。两个1nF电容增加了截止频率为40kHz的共模滤波。

AD7192ADC PGA增益配置

AD7192配置为接收差分模拟输入，以匹配来自AD8475的差分输出信号。 AD7192的满量程输入范围为±VREF/增益，其中±VREF=REFINx（+）-REFINx（-）。

AD7192中的缓冲器使能时，输入通道会驱动缓冲放大器的高阻抗输入级，此模式下的绝对输入电压范围将限制在AGND+250mV至AVDD-250mV。增益级使能后，缓冲器输出将施加于PGA的输入端，模拟输入范围必须限制在±（AVDD-1.25V）/增益以内，因为PGA需要额外的裕量。因此，采用4.096V基准电压源和5V电源时，为了最充分地利用ADC的动态范围，可按表1所示对信号进行衰减或放大。

表1. AD8475和 AD7192内置PGA的各种输入范围增益配置