Projektując z przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC), łatwo jest błędnie sądzić, że zmniejszenie sygnału wejściowego do pełnej skali przetwornika ADC spowoduje znaczny spadek stosunku sygnału do szumu (SNR). ).
Projektanci systemów, którzy muszą radzić sobie z dużymi wahaniami napięcia, są tym szczególnie zaniepokojeni. Ponadto, w porównaniu z przetwornikami ADC zasilanymi wyższymi napięciami, przetworniki ADC zasilane niskimi napięciami (5 V lub niższymi) są bardziej zróżnicowane.
Wyższe napięcie zasilania zwykle prowadzi do większego zużycia energii i bardziej skomplikowanego układu płytki drukowanej (na przykład wymaganych jest więcej kondensatorów odsprzęgających).
Wiele sygnałów generowanych przez czujniki lub systemy to dwubiegunowe sygnały wysokiego napięcia (takie jak szeroko stosowany sygnał ±10 V). Istnieje jednak wiele prostych sposobów na przekazanie tego sygnału przez ADC; można również zastosować różne zintegrowane wysokonapięciowe rozwiązania ADC: może obsłużyć ten duży pełnowymiarowy sygnał wejściowy bez poświęcania stosunku SNR. Rozwiązania te wymagają bardzo wysokiego napięcia zasilania, aby spełnić wymagania dotyczące zakresu wejściowego, a ich pobór mocy jest również dość duży (rysunek 1). Te wysokonapięciowe przetworniki ADC zawężają również wybór rozwiązań kondycjonowania sygnału (wzmacniaczy operacyjnych). Jeśli sygnał musi być multipleksowany za pomocą kombinacji wejść wysokonapięciowych i niskonapięciowych, koszt systemu znacznie wzrośnie (rysunek 2).
Można również użyć wzmacniacza wejściowego do skalowania sygnału w celu dopasowania do pełnego zakresu wejściowego niskonapięciowego przetwornika ADC. Ten obwód kondycjonowania sygnału można podłączyć do multipleksowanego wejścia, tak aby wszystkie sygnały były zgodne z zakresem ADC (rysunek 3).
W przypadku używania wzmacniacza do skalowania napięcia sygnału szum odnosi się do wejścia wzmacniacza. W tej chwili istnieją dwa główne źródła szumów: wejściowy szum odniesienia samego wzmacniacza i zmniejszony wejściowy szum odniesienia przetwornika ADC. Te dwa źródła hałasu są połączone w wyraz kwadratowy. Ponadto szum wzmacniacza jest również filtrowany przez szerokość pasma wejściowego ADC i filtr antyaliasingowy między wzmacniaczem a wejściem ADC, patrz rysunek 4.
Rysunek 4: Wzmacniacz zoomu wprowadza szum, ale jest on filtrowany przez obwód RC i sieć wejściową przetwornika ADC.
Formuła obliczeniowa systemu SNR (terminal wejściowy wzmacniacza) jest następująca:
Gdzie: VnADC to wejściowy szum RMS przetwornika ADC; VnOPA to wejściowy szum odniesienia wzmacniacza (X razy odniesienie wejściowe) = częstotliwość jednobiegunowa -3dB.
Biorąc pod uwagę pełny zakres przetwornika ADC, wejściowy szum odniesienia przetwornika ADC i współczynnik skali wzmacniacza, istnieją dwie zmienne, które będą miały wpływ na cel redukcji strat SNR: częstotliwość odcięcia filtra i wejściowy szum odniesienia wzmacniacza.
Jeśli źródło sygnału zawiera komponenty o niskiej częstotliwości, filtr można zaprojektować tak, aby wzmacniacz mógł tolerować większe szumy wejściowe (wyższy szum wejściowy jest zwykle związany z niższym zużyciem energii i kosztami). Jeśli przetwornik ADC ogranicza szerokość pasma systemu, wzmacniacz musi mieć wystarczająco niski poziom szumów odniesienia na wejściu, aby kontrolować utratę SNR w akceptowalnym zakresie.
Na przykład, biorąc pod uwagę sygnał wejściowy ±10 V i pełnozakresowy przetwornik ADC 5VP-P z SNR 92dB, współczynnik skali (stosunek sygnału wejściowego do pełnego zakresu) wynosi 4. Wejściowy szum referencyjny przetwornika ADC w arkusz danych to 44.4 nV RMS. Zakładając, że częstotliwość odcięcia filtra wynosi 10 kHz, a wejściowy szum odniesienia wzmacniacza wynosi 10 nV/(Hz) 1/2, strata SNR wynosi: SNR (strata) = 0.035 dB.
Jeśli nie ma filtra i przyjmuje się, że szerokość pasma przetwornika ADC wynosi 10 MHz, w celu uzyskania takiej samej straty SNR wymagany wejściowy szum odniesienia wynosi 0.3 nV/(Hz) 1/2. Ten wymóg jest bardzo surowy.
Dla przetwornika ADC o tej samej szerokości pasma 10 MHz, jeśli SNR (strata) = 0.5 dB jest dozwolone, wymagany poziom szumów wzmacniacza wynosi 4 nV/(Hz) 1/2, co jest stosunkowo łatwe do wdrożenia.
Dlatego, jeśli podane są przepustowość systemu i dopuszczalne straty SNR, dodanie proporcjonalnego wzmacniacza do konwersji sygnału wysokonapięciowego na niskonapięciowy ADC w pełnym zakresie będzie rozwiązaniem całkowicie wykonalnym. W przypadku podawania wielu sygnałów o różnych amplitudach wychylenia do multipleksowanego niskonapięciowego przetwornika analogowo-cyfrowego rozwiązanie to może zapewnić opłacalny system.
Nasze inne produkty:
