数据采集系统和可编程逻辑控制器(PLC)需要多功能的高性能模拟前端，以便与各种传感器进行接口，来精确、可靠地测量信号。根据传感器具体类型和待测电压/电流幅度的不同，信号可能需要放大或衰减，从而匹配模数转换器(ADC)的满量程输入范围，以供进一步的数字处理和反馈控制。

 

AD8250（增益为1、2、5或10）、AD8251（增益为1、2、4或8）或AD8253（增益为1、10、100或1000）等，与一个全差分漏斗（衰减）放大器，如AD8475等级联。该解决方案简单灵活，具有高速特性，并提供出色的精度和温度稳定性。

 

上述可编程增益仪表放大器提供5.3 GΩ差分输入阻抗和–110 dB总谐波失真(THD)，非常适合与各种传感器接口。当增益为10时，AD8250的保证特性包括：3 MHz带宽、18 nV/√Hz电压噪声、685 ns的0.001%建立时间、1.7 μV/°C失调漂移、10 ppm/°C增益漂移以及90 dB共模抑制比（DC至50 kHz）。精密直流性能与高速能力的结合，使得这些放大器非常适合具有多路复用输入的数据采集应用。

 

AD8475是一款高速、集成精密电阻的全差分漏斗放大器，提供0.4或0.8倍的精密衰减、共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能。这个易于使用、完全集成的精密增益模块采用+5 V单电源供电时，可以处理最高±10 V的信号电平。因此，它能使工业电平信号与低压、高性能、采样速率高达4 MSPS的16位和18位逐次逼近(SAR)型ADC的差分输入范围匹配。

 

如图1所示，AD825x和AD8475配合工作，构成一个灵活的高性能模拟前端。表1列出了可以实现的增益组合，具体取决于输入和输出电压范围要求。

 

图1. 使用AD825x PGIA和AD8475差分输出漏斗放大器的数据采集模拟前端

 

表1. AD8475与AD8250、AD8251或AD8253组合可以实现的输入电压范围和增益

数据采集仪器测量范围(V)	峰峰值电压(V)	每路输入的最大电压(V)	整体系统增益	AD825x增益	AD8475增益	ADC输入端的峰峰值电压	AD825x输入电压限值（保护ADC）
±10	20	4.096	0.4	1	0.4	8	10.24	AD8250增益
±5	10	4.096	0.8	2	0.4	8	5.12
±2	4	4.096	2	5	0.4	8	2.048
±1	2	4.096	4	10	0.4	8	1.024
±5	10	4.096	0.8	1	0.8	8	5.12
±2.5	5	4.096	1.6	2	0.8	8	2.56
±1	2	4.096	4	5	0.8	8	1.024
±0.5	1	4.096	8	10	0.8	8	0.512
±10	20	4.096	0.4	1	0.4	8	10.24	AD8251增益
±5	10	4.096	0.8	2	0.4	8	5.12
±2.5	5	4.096	1.6	4	0.4	8	2.56
±1	2	4.096	3.2	8	0.4	6.4	1.28
±5	10	4.096	0.8	1	0.8	8	5.12
±2.5	5	4.096	1.6	2	0.8	8	2.56
±1	2	4.096	3.2	4	0.8	6.4	1.28
±0.5	1	4.096	6.4	8	0.8	6.4	0.64
±10	20	4.096	0.4	1	0.4	8	10.24	AD8253增益
±1	2	4.096	4	10	0.4	8	1.024
±0.1	0.2	4.096	40	100	0.4	8	0.1024
±0.01	0.02	4.096	400	1000	0.4	8	0.01024
±5	10	4.096	0.8	1	0.8	8	5.12
±0.5	1	4.096	8	10	0.8	8	0.512
±0.05	0.1	4.096	80	100	0.8	8	0.0512
±0.005	0.01	4.096	800	1000	0.8	8	0.00512

能力：输入电压范围和带宽

采用±15 V电源供电时，AD825x系列PGIA的最大输入电压范围约为±13.5 V（AD8250和AD8251提供最高超过电源轨13 V的额外过压保护）。在本应用中，对PGIA输入电压范围的有效限制由ADC输入的满量程电压范围和从传感器到ADC的信号路径增益设置。例如，18位2 MSPS PulSAR ADC AD7986采用2.5 V单电源供电，典型基准电压为4.096 V，其差分输入支持最高±4.096 V的电压（输入电压0 V至4.096 V和4.096 V至0 V）。如果模拟前端的总增益设置为0.4，即AD825x的增益为1，AD8475的增益为0.4，则系统可以处理的输入信号最大幅度为±10.24 V。

 

为了确定系统所需的增益设置组合，应考虑ADC (VFS)的满量程输入电压以及传感器预计会提供的最小/最大电流或电压电平。

 

 

就其精度和功能水平而言，该模拟前端的速度和带宽极为出色。该电路的速度和带宽由下列因素共同决定：

许多数据采集和过程控制系统需要测量压力、温度和其它低频输入信号，因此前端放大器的直流精度和温度稳定性对于系统性能至关重要。许多应用使用多个传感器，这些传感器以轮询方式多路复用连接到放大器输入端。通常而言，轮询频率远大于目标信号的带宽。当多路复用器从一个传感器切换到另一个传感器时，放大器输入端经历的电压变化是未知的，因此设计必须考虑最差情况——满量程电压跃迁。放大器必须能够在所分配的切换时间内从该满量程跃迁完成建立，该建立时间还必须短于ADC采集信号所需的建立时间。

 

在AD8475与ADC输入端之间，建议使用一个抗混叠滤波器(AAF)，以便对提供给ADC输入端的信号和噪声带宽进行限制，防止不需要的混叠效应，并提高系统的信噪比。此外，AAF能够吸收一些ADC输入瞬变电流，因此该滤波器也能在放大器与ADC的开关电容输入端之间提供某种隔离。AAF通常利用简单的RC网络实现，如图1中所示。滤波器带宽通过下式计算：

 

 

许多情况下，该滤波器的R和C值根据经验进行优化，以便为ADC提供必需的带宽、建立时间和驱动能力。如需具体建议，请参阅ADC数据手册。

结束语

AD8475与AD825x系列PGIA相结合，可实现一种简单灵活、高性能、多功能的模拟前端。针对信号放大和衰减处理，该模拟前端可以提供多种可编程的增益组合，从而优化不同的测量电压范围。AD825x的性能和可编程能力非常适合多路复用型测量系统，AD8475则能提供出色的接口来连接精密模数转换器。两种放大器协调工作以保持传感器信号的完整性，为工业测量系统提供一个高性能模拟前端。

 

有关AD8475用作精密逐次逼近型ADC驱动器的更多信息，请参阅电路笔记CN-0180：用于工业级信号的精密、低功耗、单电源、全集成差分ADC驱动器。