定義系統(tǒng)噪聲性能

在前文中，詳細(xì)探討了 ADC 噪聲性能，從其特性和來源到如何測(cè)量和指定。 現(xiàn)在，將把前面的理論理解應(yīng)用到一個(gè)實(shí)際的設(shè)計(jì)示例中。 最終，目標(biāo)是為提供回答“我真正需要什么樣的噪聲性能？”這個(gè)問題所需的知識(shí)，讓用戶能夠輕松自信地為下一個(gè)應(yīng)用選擇 ADC。

系統(tǒng)規(guī)范

我將通過定義應(yīng)用的系統(tǒng)規(guī)范、將這些規(guī)范轉(zhuǎn)換為目標(biāo)噪聲性能參數(shù)并使用該信息來比較潛在的 ADC 來開始該示例。 例如，讓我們分析一個(gè)使用類似于下圖所示的四線電阻橋的稱重應(yīng)用。

對(duì)于系統(tǒng)規(guī)格，假設(shè)您想要以每秒 5 個(gè)樣本 (SPS) 的速度進(jìn)行采樣的靈敏度為 2 mV/V 和激勵(lì)電壓為 2.5 V 的電橋。這提供了 5 mV 的最大輸出電壓，對(duì)應(yīng)于 1 kg 的重量范圍。 我們還假設(shè)您希望能夠解決 50 毫克的最小應(yīng)用重量。 下表總結(jié)了這些參數(shù)。

現(xiàn)在已經(jīng)掌握了系統(tǒng)規(guī)格，將它們轉(zhuǎn)換為常見的噪聲參數(shù)，以幫助您選擇 ADC。

定義系統(tǒng)噪聲參數(shù)

建議使用輸入?yún)⒖荚肼晛矶x系統(tǒng)噪聲參數(shù)并選擇 ADC。 但讓我們從使用無噪聲計(jì)數(shù)和無噪聲分辨率的更常見方法開始。 然后，您可以將此方法與直接使用輸入?yún)⒖荚肼曔M(jìn)行比較。 使用公式計(jì)算您的初始噪聲參數(shù)：

由于所需的 14.3 位無噪聲分辨率，可能很快得出結(jié)論，只需要一個(gè) 16 位 ADC。 然而，高分辨率 Δ-Σ ADC 實(shí)際可以提供的無噪聲分辨率取決于 ADC 滿量程范圍的利用率百分比。 在本例中，系統(tǒng)使用 2.5V 參考電壓，最大輸入信號(hào)是激勵(lì)電壓 (2.5V) 和電橋靈敏度 (2mV/V) 的乘積。

公式顯示了預(yù)期分辨率損失：

由于只使用了可用滿量程范圍的 0.1%，因此將損失近 10 位的分辨率。 在這個(gè)級(jí)別上，即使是 24 位 ADC 也不足以滿足系統(tǒng)要求。為了補(bǔ)救這個(gè)問題，需要通過更改系統(tǒng)規(guī)格或放大輸入信號(hào)來提高利用率百分比。 假設(shè)您幾乎無法控制系統(tǒng)所需的內(nèi)容，那么您只能獲得輸入，這一操作絕對(duì)會(huì)改變信號(hào)鏈的噪聲性能。

幸運(yùn)的是，我們無需詳細(xì)了解放大器噪聲如何影響系統(tǒng)性能即可繼續(xù)分析。 可以利用現(xiàn)有知識(shí)分析具有集成 PGA 的 ADC 的數(shù)據(jù)表噪聲表，以確定它是否滿足系統(tǒng)要求。

例如，下表顯示了高達(dá) 50 SPS 的 24 位 ADS124S08 的有效和無噪聲分辨率表，其中突出顯示了目標(biāo)數(shù)據(jù)速率。ADS124S08 包括 1 V/V 至 128 V/V 的增益。

要確定此 ADC 是否滿足要求，需要分別重新計(jì)算每個(gè)增益設(shè)置的預(yù)期分辨率損失，因?yàn)槊總€(gè)增益設(shè)置都會(huì)導(dǎo)致不同的百分比利用率。然后，需要將此添加到上表中報(bào)告的每個(gè)相應(yīng)的無噪聲分辨率值中，以查看它是否符合系統(tǒng)規(guī)范。

下表列出了這些不同的值以及使用 ADS124S08 以 5-SPS 數(shù)據(jù)速率計(jì)算的系統(tǒng)無噪聲分辨率（以位為單位）。

在 5 SPS 下使用 32、64 或 128 V/V 的增益只能實(shí)現(xiàn)所需的 14.3 位系統(tǒng)無噪聲分辨率。

下表在數(shù)據(jù)表噪聲表的上下文中突出顯示了這些值。

表中的一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)是，沒有簡(jiǎn)單的方法可以在不進(jìn)行多次計(jì)算的情況下將數(shù)據(jù)表中的值與系統(tǒng)噪聲參數(shù)相關(guān)聯(lián)。 雖然這在計(jì)算結(jié)果后現(xiàn)在可能不相關(guān)，但如果系統(tǒng)規(guī)格突然發(fā)生變化怎么辦？

假設(shè)決定將激勵(lì)（參考）電壓從 2.5 V 提高到 5 V。您還將電橋靈敏度提高到 20 mV/V（這意味著您不能使用最高增益設(shè)置，因?yàn)檫@樣會(huì)超過ADC）。 正在探索以 20 SPS 而不是 5 SPS 進(jìn)行采樣的選項(xiàng)。 這些變化如何影響您的 ADC 噪聲分析？

要確定答案，您必須在新的數(shù)據(jù)速率和參考電壓下為每個(gè)增益設(shè)置計(jì)算新的分辨率損失。 此外，您必須根據(jù) 5 V 參考電壓重新有效分辨率表格，因?yàn)樵搱D的計(jì)算使用 2.5 V 的參考電壓。最后，您必須通過減去計(jì)算的分辨率損失來重新創(chuàng)建使用 5V 參考電壓創(chuàng)建的無噪聲分辨率表。

這需要做很多工作，并且是無噪聲分辨率作為相對(duì)參數(shù)的直接結(jié)果。 所以現(xiàn)在切換到使用絕對(duì)噪聲參數(shù)，看看分析是如何變化的。

使用輸入?yún)⒖荚肼?/span>

與無噪聲分辨率一樣，只需了解一些系統(tǒng)規(guī)格即可確定您的電橋所需的輸入?yún)⒖荚肼暋?需要知道它的最大輸出信號(hào)，即 5 mV。 還需要知道此最大信號(hào)對(duì)應(yīng)的重量范圍，即 1 kg。 最后，需要知道您的體重分辨率，即 50 毫克。 借助這幾位信息，可以使用下面的公式確定 ADC 需要能夠解析 250 nV 的峰峰值信號(hào)：

使用輸入?yún)⒖荚肼暤暮锰幹皇遣槐負(fù)?dān)心計(jì)算分辨率損失。相反，您可以直接將計(jì)算值與 ADC 的輸入?yún)⒖荚肼暠磉M(jìn)行比較，以確定哪種設(shè)置組合可提供相同或更低級(jí)別的噪聲性能。

下表是ADS124S08 輸入?yún)⒖荚肼暠淼木?jiǎn)版。提供 ≤250 nVPP 的輸入?yún)⒖荚肼暤脑鲆婧蛿?shù)據(jù)速率設(shè)置的任何組合。

如果將表中的結(jié)果與前面表中使用無噪聲分辨率的分析進(jìn)行比較，您會(huì)發(fā)現(xiàn)上表提供了滿足系統(tǒng)要求的整個(gè) ADS124S08 設(shè)置范圍。 而前面表中提供所選數(shù)據(jù)速率下的值，并要求針對(duì)不同的數(shù)據(jù)速率執(zhí)行新的計(jì)算，從而使這種方法不太適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)范的變化。

系統(tǒng)變化的影響

現(xiàn)在假設(shè)已將重量范圍增加到 5 kg，重量分辨率增加到 500 mg，并將電橋的最大輸出信號(hào)保持在 5 mV，如公式 11 所示：

通過快速計(jì)算，可以確定系統(tǒng)噪聲要求已放寬至 500 nVPP，從而為您提供更多增益和數(shù)據(jù)速率組合。 下表中表明，這些寬松的系統(tǒng)規(guī)范允許您更快地進(jìn)行采樣（高達(dá) 20 SPS）或降低增益（低至 4 V/V），同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)必要的噪聲性能。

如果體重秤需要更高的分辨率怎么辦？

例如，保留 5-kg 重量范圍要求，但從第一個(gè)示例返回到 50-mg 重量分辨率。 保持最大電橋輸出相同 (5 mV)，現(xiàn)在需要 50 nVPP 的輸入?yún)⒖荚肼暎@非常低。 ADS124S08 增益和數(shù)據(jù)速率的組合無法提供這種級(jí)別的性能。 但由于可以輕松地使用任何 ADC 執(zhí)行相同的分析，因此只需選擇具有更好噪聲性能的 ADC。

下表顯示了 ADS1262 的噪聲表，這是一款 32 位 ADC，功能類似于 ADS124S08，但提供更好的噪聲性能。表中的青色陰影表示提供 ≤50 nVPP 的輸入?yún)⒖荚肼暤臄?shù)據(jù)速率和噪聲組合，并確認(rèn) ADS1262 可以滿足您系統(tǒng)的新分辨率要求。

為了論證，將輸入?yún)⒖荚肼暯Y(jié)果與相對(duì)參數(shù)進(jìn)行比較。 下表突出顯示了 ADS1262 在與下表所示相同的數(shù)據(jù)速率和增益配置下的無噪聲分辨率性能。

在前文中提到不必要地關(guān)注最大化其無噪聲分辨率（動(dòng)態(tài)范圍）。 可以通過在系統(tǒng)所需的 5-SPS 數(shù)據(jù)速率下根據(jù)最大突出顯示值計(jì)算系統(tǒng)的無噪聲分辨率來檢查這一點(diǎn)。 在表 12 中，該值為 23.5 位，使用 Sinc4 濾波器可在 16 V/V 的增益下獲得。

表格計(jì)算使用 5V 參考電壓，而不是系統(tǒng)指定的 2.5V 參考電壓。 為了補(bǔ)償這種差異，給出的每個(gè)分辨率值都必須減少一位。 這意味著在給定條件下，您只能期望最大 22.5 位的無噪聲分辨率。 您現(xiàn)在可以計(jì)算 ADS1262 在這些設(shè)置下的預(yù)期分辨率損失。

使用公式的結(jié)果，使用 32 位 ADC 的系統(tǒng)無噪聲分辨率僅為 16.5 位：

對(duì)許多人來說，這是一個(gè)令人沮喪的結(jié)果，這似乎證實(shí)了您為 ADC 無法實(shí)際提供的性能付出代價(jià)的恐懼。實(shí)際上在給定條件下利用了 48-nVPP 噪聲。 這是一個(gè)非常小的值，沒有 16 位 ADC 和極少數(shù) 24 位 ADC 可以提供。

需要如此高分辨率的 ADC 來實(shí)現(xiàn) 16.5 位的無噪聲分辨率（動(dòng)態(tài)范圍），因?yàn)橄到y(tǒng)需要極低的噪聲性能。 這就是為什么使用輸入?yún)⒖荚肼晛矶x系統(tǒng)性能和選擇 ADC 是有意義的。

小結(jié)

使用通用過程：

• 將傳感器輸入（溫度、重量、電流、電阻等）轉(zhuǎn)換為電壓。
• 定義系統(tǒng)分辨率和范圍。
• 與ADC 噪聲表進(jìn)行比較。

 輸入?yún)⒖荚肼曌钸m合定義系統(tǒng)性能：

• 能夠在 ADC 之間進(jìn)行公平比較。
• 消除了對(duì)電壓基準(zhǔn)的依賴。
• 提供一系列適用的增益和數(shù)據(jù)速率設(shè)置。

專注于解析最小和最大信號(hào)——最大化動(dòng)態(tài)范圍并不總是很重要。