低噪声信号链设计注意事项

在根据结构、连接和特性选择了电桥后，需要设计一个低噪声信号链来测量电桥输出。本节详细探讨与选择信号链元件有关的多个重要主题：

放大

本节所述，典型电桥的灵敏度为1mV/V至3mV/V。在如此低的灵敏度情况下，通常需要选择VEXCITATION的最大值以尽可能提高电桥输出信号。例如，在上篇文章中表中的VEXCITATION最大值为15V，电桥灵敏度为2mV/V，得到的最大电桥输出信号为30mV。这个电平相对较低的信号需要放大以实现精密测量。但是，选择VEXCITATION>AVDD可能需要对基准或信号电压进行电平转换，以符合ADC输入限制，因为大多数ADC只支持AVDD≤5V。在这种情况下，应在无增益ADC前面使用外部仪表放大器(INA)来放大电桥信号，并设置放大器输出共模电压。当VEXCITATION≤AVDD时，选择具有集成式低噪声可编程增益放大器(PGA)的ADC来降低系统噪声并提高动态范围。选择具有集成PGA的ADC还可简化信号链并减小PCB面积。以下各小节详细说明了外部INA和集成PGA的操作和用例。

仪表放大器

如果电桥信号超出ADC输入限制，则可能需要使用INA。当VEXCITATION>AVDD时，通常会出现这种情况。或者，如果所选ADC没有集成的PGA，可以使用外部INA来放大电桥输出。

INA架构和运行

下图中显示了基本的三运算放大器INA，但也有其他拓扑结构。

上图中的INA放大AINP和AINN之间的电压。放大器增益由外部增益设置电阻RG和内部反馈电阻RF确定。AINP和AINN处的电压通过A1和A2以及两个RF电阻器强制传递到RG上。这会迫使相同电流流过所有三个电阻器以产生增益。差分放大器由运算放大器A3和四个电阻器R构成，充当单位增益缓冲器。经过放大的电压在INA的REF和VOUT引脚之间进行测量。REF引脚设置输出电压的基准点，选择它通常是为了与ADC共模范围匹配。INA增益由RG设置，并按下列方程确定：

大多数INA都支持高达1000V/V的大电压增益。不过，与高增益相关的一个实际困难是，它会将输入信号共模电压限制为大概1/2Vs。在INA拓扑结构中，输入共模电压必须与图5-1中由A1和A2构成的第一个运算放大器级的输出共模电压相匹配。由于RG的电压经过放大后成为A1和A2的输出，因此A1和A2的输出电压受这些电压与任一电源（V+或V–）接近程度的限制。由于这一限制，需要选择适当的INA和电桥激励电源，以使电桥输出处于INA测量范围内。模拟工程师计算器中的INAVcm与Vout工具可根据一系列INA的输出电压计算输入共模范围，从而简化了这一过程。下图显示了此工具使用INA826时的示例。

INA误差源

将INA添加到信号路径中会引入多种不同的误差。例如，当增益设置为100V/V时，图5-2中所示的INA826的增益误差规格为±0.04%（典型值）和±0.15%（最大值）。此增益误差来自于电阻器元件出厂调整的轻微不匹配。INA还有增加到测量中的失调电压误差。INA826以输入为基准的失调电压误差为150µV（最大值）。此外，电阻RG可产生一定的增益误差，直接增加到总系统误差中。INA还会向测量中增加噪声。在0.1Hz至10Hz带宽内，INA826以输入为基准的噪声为0.52µVPP。由于INA拓扑，此噪声可能大于ADC中集成的PGA。有关噪声在电桥测量中的重要性的更详细讨论，请参阅下文。

集成式PGA

当VEXCITATION≤AVDD时，可以选用具有集成式PGA的ADC。这些情况通常允许使用与节6.1中所述电路类似的比例基准配置。集成式PGA与外部器件相比，通常还具有更好的性能，因为集成式PGA已针对与相关ADC搭配使用进行了优化。

集成式PGA架构和运行

集成式PGA通常作为基本INA的前端实现。电路类似于上图，因为它使用A1、A2、两个RF电阻器和用于设置增益的一组经过出厂调整的可编程RG电阻器。例如，下图显示了ADS1235中的PGA。

此外，图5-3中的PGA在PGA的输入和输出端都有低通滤波器。这些滤波器有助于降低对电磁干扰(EMI)的敏感性。某些集成式PGA还需要外部电容器来过滤调制器导致的样本脉冲，并执行抗混叠。与INA类似，集成式PGA具有共模电压要求，具体由运算放大器的增益和输出决定。例如，集成到ADS1235中的PGA的绝对输入电压（VAINP或VAINN）受方程限制

其中：

VINMAX=VAINP–VAINN，描述最大差分输入电压。

下图显示了ADS1235集成式PGA输入与PGA输出之间的关系。

上图中的PGA输出电压（VOUTP和VOUTN）取决于PGA增益和输入电压幅度VIN。对于线性工作，PGA输出电压不得超过AVDD–0.3V或AVSS+0.3V。请注意，上图显示的是正差分输入电压产生正差分输出电压，但也可以是负差分电压。请参阅ADS1235Excel计算器工具，了解共模输入范围计算器和其他有助于简化使用此ADC的项目的重要设计工具。此外在后面的文章中的电路演示了如何使用这些计算器工具来确定电桥输出是否处于PGA共模范围内。

使用集成PGA的优点

使用具有集成PGA的ADC的一个优点是，集成器件不需要在INA解决方案中使用输出缓冲差分放大器。与使用外部INA相比，去除此元件可降低噪声。例如，在0.1Hz至10Hz频率范围内，INA826具有0.52µVPP的输入基准噪声，而在使用FIR滤波器的情况下，ADS1235在10个样本/秒(SPS)速率下的噪声为0.096µVPP。该集成PGA的另一项优势是增益已经过出厂修整。此过程通常可得到比INA和外部RG组合增益误差更低的误差。例如，ADS1235的典型增益误差为0.05%。而INA826增益误差为0.04%，这不包括RG产生的任何其他增益误差。例如，与使用ADS1235集成PGA相比，选择初始容差为0.1%的RG电阻器会使增益误差增加一倍以上。

噪声

在数据采集系统中，噪声是指可能干扰或隐藏目标信号的任何不需要的信号。有些噪声对于所有电气元件来说是固有的，可能来自系统内部（放大器、ADC、电压基准等）或外部（EMI、接地环路、线路周期噪声等）。噪声对于电桥测量系统非常重要，因为电桥输出电压通常约为几十毫伏。如此小的信号需要低噪声、高分辨率信号链才能实现高动态范围。虽然噪声对于电桥测量系统很重要，但完整的信号链噪声分析可能会很复杂。因此，全面了解噪声不在本应用手册的讨论范围之内。本文说明ADC数据表中如何报告噪声，以及如何使用此信息帮助实现电桥测量系统的设计目标。有关ADC测量中的噪声的更多信息，请参阅精密ADC噪声分析的基本原理电子书以及TI高精度实验室培训课程中的ADC噪声内容。

ADC噪声数据表

ADC数据表通常报告输入短路(VIN=0V)时的噪声。此配置提供ADC固有噪声的纯测量值，如果ADC具有集成式PGA，则还包括放大器噪声。此测量值不包括随输入信号线性变化的电压基准噪声。不过，对于使用比例基准配置的电桥测量系统，由于往往会消除电压基准噪声和漂移，因此这通常不是问题。ADC噪声表中显示的实际值包括数千个数据点或持续数秒的数据。对该数据集执行统计分析，可确定均方根(RMS)值和峰峰值。对于Δ-ΣADC，则会针对输出数据速率(ODR)、滤波器类型和增益设置的各种组合（如果适用），报告这些信息。例如，下表显示了ADS1235数据表中的一部分噪声性能信息。下表中的每一行都是一种不同的ODR和滤波器类型组合，而每一列表示可用的PGA增益。

上表中的噪声值以输入为基准(RTI)。ADC测量的RTI噪声是指增益后ADC输入端的等效噪声幅度。例如，当增益=1V/V时，上表中的噪声以±5V范围为基准。当增益=128V/V时，噪声以小得多的±39.06mV范围为基准。上表中还包括两个从噪声值推导得出的品质因数：有效分辨率和无噪声分辨率。ADC数据表中的有效分辨率是指满量程范围(FSR)相对于测量中的RMS噪声VN,RMS的动态范围。相比之下，ADC数据表中的无噪声分辨率是指FSR相对于测量中的峰峰值(PP)噪声VN,PP的动态范围。这些噪声参数使用方程式20和方程式21进行计算：

Effectiveresolution=log2(FSR/VN,RMS)(bits)

Noise-freeresolution=log2(FSR/VN,PP)(bits)

例如，当增益=128V/V且ODR=20SPS时，表5-1显示ADS1235有限脉冲响应(FIR)数字滤波器提供的噪声性能为0.029µVRMS或0.16µVPP。使用下面的方程这些设置分别计算ADS1235有效分辨率和无噪声分辨率：

Effectiveresolution=log2[(±5V/128V/V)/(0.029µVRMS)]=log2[2,693,966]=21.3bits

Noise-freeresolution=log2[(±5V/128V/V)/(0.16µVPP)]=log2[488,281]=18.9bits

电桥测量通常使用第三个参数来表征性能，这个参数称为无噪声计数(NFC)，它从无噪声分辨率推导得出。这对于设计要求秤测量结果中显示的最后一位数字保持稳定（或无噪声）的称重秤应用尤其重要。使用有效分辨率目标来设计称重秤，可能会导致秤上显示的最后一位数字不断移动，因为有效分辨率基于RMS噪声。NFC由下式定义，计算给定ADC参数的NFC：

NFC=2(Noise-freeresolution)(counts)

NFC=2(18.9)=488,000counts

无噪声分辨率和NFC是在假设ADC输入使用整个FSR的情况下计算得出的。但是，如果称重秤系统不使用整个ADCFSR，系统NFC性能与ADC噪声表中所示的值将会不同。下一节说明了NFC性能的这种降低。

　　审核编辑：汤梓红