关于模拟数据采集的设计权衡的分析与研究
设计者的工作
由于高电压轨可提供更好的动态范围，很多工业数据采集系统的设计者要求自己的运放和数据转换器采用这类电压轨。于是，ADC 制造商开发出了工作在 16V 电压轨的 CMOS 数据转换器。Analog Devices 公司高级现场应用工程师 Chris Hyde 指出，这些器件可以处理高达 15V 的传感器输入。
对低动态范围的其他补偿是尽可能早地对传感器信号进行数字化。UEI 的 Ivchenko 说：“高速 ADC 价格已经下降到了一个让过采样更有意义的点位。”本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/188913.htm
使用了过采样，就可以用数字滤波器降低噪声。过采样与滤波器越多，则噪声抑制能力越好，但系统会更慢。Ivchenko 指出，采用 22n 过采样及使用一个数字均化滤波器会提高噪声性能。下表列出了给定位数下需要多少过采样才能提高噪声性能的情形。
对给定位数提高噪声性能需要的过采样值
Ivchenko 在 ADC 后加了一个“砖墙式”（120 dB/倍频程）数字有限脉冲响应（FIR）滤波器，以降低噪声并提取出感兴趣的频谱。然后，他提取一部分数据或作一个移动平均，使采样速率能为应用所接受。
低压 ADC 与运放要求有足够的供电电流，才能在数据转换期间保持信号稳定。Hyde 说：“设计者挑选的运放和电压基准经常没有足够的驱动能力。一个电压基准可能同时需要流出和流入电流。”一个 ADC 可能有一个动态输入阻抗，而且可能需要一个低阻抗信号源作充分的耦合，才能维持基准电压电平。
National Instruments 的模拟设计工程师 Luis Orozco 称：“SAR 转换器需要一种很低的输出阻抗源来保持输入信号在转换期间不会变化。由于 SAR ADC 一般对其电源表现为高动态负载，我们要小心地旁路所有器件。”他指出，给一个 ADC 配用正确的运放非常重要。
Orozco 说：“一个运放要具备实现特定 ADC 规格的性能，它消耗的电流要比 ADC 自身多数倍。”ADC 的基准输入与信号输入表现类似。低功耗器件（如电压基准）可能需要电容器或缓冲器，从而在 ADC 对基准采样时保持输出的稳定电平。
Ivchenko 补充说：“不仅如此，还应采用低等效串联电阻（ESR）的旁路电容。可能的话尽量用 X7R 陶瓷电容，而不用钽电容。电容器必须有足够快的充放电速度，才能在转换期间为 ADC 提供足够的峰值电流。”高 ESR 会增加电容器的充放电时间。
图 2 给出了提供充足电流的两种方法。在图 2a 中，一只电容器存储能量，当 ADC 需要更多电流来保持基准电压稳定时，电容为其供电。一般 22?F 的电容就够用了，但要查看ADC 数据手册来确认这一点。在图 2b 中，运放用于 ADC 电压基准的缓冲。运放给电压基准提供了高阻抗输入，同时其低阻抗输出能为 ADC 提供充足的电流。虽然运放方案更讲究，但它为 Vref 增加了一个偏置电压，这会增加系统噪声、功耗，而且成本也更高。
差分输入
为改善动态范围和噪声抑制能力，应在数据采集系统中采用差分输入。使用差分输入时（与单端输入相反），两根信号线上的任何信号都被共模抑制（CMR）放大器或 ADC 排除掉了。如果传感器输出是单端的，可使用一种单端-差分转换驱动电路（图 3）。数据采集系统可以设计为使用单端输入或差分输入。
很多数据采集系统都用一个复用器来增加通道。复用器中的电阻与电容会影响信号的完整性。例如，来自复用器的电荷注入会将 DC 信号转变为 AC 信号。导通电阻（Ron）与寄生电容相结合，就形成了一个低通滤波器，它有一个 RC 时间常数。图 4 表示如果时间常数相对于采样时间过长将会发生的事情。
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