为什么使用 24 位转换器来替代多个 12 位器件

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在涉及到温度测量、压力测量、工业流程控制的便携式医疗设备和工业自动化领域，12 位转换器足以成为我们理想的选择。但是，如果考虑到整个多传感器系统设计，那么 24 位转换器可能是更加经济高效的选择，本文将解释其中的原因。
        开始进行系统设计时，设计人员通常着手开发 12 位系统，首先从 12 位转换器开始，然后开发前端模拟链。但是，由于前端电路涉及到多个放大器，因而会增加设计时间、空间和复杂性，最终提高整体成本。
         我们可以采用更好的方法。本文简要讨论了如何使用 8 通道 24 位转换器来取代所有 12 位信号链。我们将使用 Analog Devices 的 AD7124-8BCPZ-RL7 8 通道、低噪声、低功耗模数转换器 (ADC) 作为示例。

典型 12 位多传感器设计

        在开发便携式感应系统时，设计人员首先确定他们需要 12 位、14 位还是 16 位系统，然后着手开发该系统。设计工作从前端模拟链和相应的逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 开始。
        我们可能发现一些系统集成了多个传感器，这是非常合理的现象。患者监护仪就是很好的例子，它用于收集温度、体重、血氧和语言能力状态（图 1）。

图 1： 带有录音器的患者监护仪是多传感器系统的很好例子。（图片来源：Digi-Key Electronics）
        常见的 12 位感应系统执行高压侧或低压侧系统电流测量。在此类系统中，我们使用低阻值电阻器 (RSHUNT)，通过将电流转换为电压来感应系统电流（图 2）。该图显示了标准高压侧电流感应电路，该电路使用 SAR-ADC，最终将系统的电流转换为可用的数字值。

图 2： 典型 12 位高压侧电流感应电路显示了 SAR-ADC，它将 RSHUNT 感应的电流转换为可用的数字值。（图片来源：Digi-Key Electronics）
        在图 2 中，低阻值分流电阻器与仪表放大器 (InAmp) 连接，该放大器能够感应接近电源电压值的电压。InAmp 的输出在 0 至 100 毫伏 (mV) 范围内。对于 12 位系统，此处的最低有效位 (LSB) 大小为 24.4 毫伏 (mV)。然后，两个放大器为此信号提供增益，二者均为 -10 V/V。在电路中的这个位置，信号的输出范围为 0 至 10 伏特。随后，信号进入全差分放大器 (FDA)。该放大器适当地为 SAR-ADC 差分输入引脚提供差分输出，LSB 大小为 1.22 mV。
        下面的成本分析将使用 1000 件价格估算。回到图 2 中的前端，InAmp 器件是一种专业器件，因为它能够精确地感应电源附近的小输入信号。这部分电路的弊端是 RSHUNT 必须尽可能低，试图让负载的电源尽可能保持恒定。对于这种类型的专业器件，成本估算为大约 3 美元。
        在 InAmp 后面，还有两个运算放大器 (OpAmp)。两个运算放大器都是双配置的一部分。这些放大器必须具有较低的输入偏置电流、补偿电压和噪声。当信号进入 SAR-ADC 时，输入偏置电流和补偿电压将增加失调误差。高放大器噪声将影响信号链的信噪比 (SNR)。对于这种类型的双放大器，成本估算为大约 2 美元。
        FDA 接收运算放大器的输出信号。FDA 的功能是将单端信号变成差分输出，将满量程范围乘以 0.4 V/V，让电平位移达到 2.5 伏特。对于 FDA，成本估算为大约 2 美元。
        最后，SAR-ADC 接收 FDA 的差分信号。此应用电路测量流经负载的电流。该高压侧电流传感器电路要求不超过 12 位的转换结果粒度。在图 2 中，12 位 SAR-ADC 的典型成本为大约 5 美元。
        图 2 中的前端电路涉及多个芯片，包括四个放大器，因而会增加设计时间、空间和复杂度，最终还会增加成本。在本例中，前端成本为大约 7 美元。
这个过程可在多个感应电路上执行，但本例将使用 Analog Devices 提供的 24 位三角积分 (∑∆) 转换器。

使用 24 位转换器取代 12 位转换器
        我们可以采用更好的方法来实现图 2 所示的电路。SAR-ADC 功能需要信号调节电路、模拟多路复用器和放大器驱动器。替代方法是将转换器更换为 ∑∆-ADC（图 3）。

图 3： 感应电路方框图：顶部框图使用 SAR-ADC 作为转换器。底部框图使用 ∑-ADC 作为转换器。（图片来源：Digi-Key Electronics）
        图 3 显示了 SAR-ADC 和 ∑∆-ADC 信号路径之间的基本差异。SAR-ADC 信号路径需要信号调节，为小传感器信号做好准备，以满足转换器的输入范围。∑∆-ADC 信号路径中的传感器连接是直接连接到转换器的输入。
        使用 ∑∆-ADC 信号链，设计人员可以忘记模拟增益级，消除电平位移电路。该电路仍将继续使用 InAmp，因为它提供了针对过压事件的保护功能，但其他所有放大器都是不必要的（图 4）。

图 4： 使用 ∑∆-ADC 的高压侧电流感测，显示已更换的元件。（图片来源：Digi-Key Electronics）
        对于以上系统，最令人关注的是 LSB 大小为 24.4 mV。出于精确度的原因，我们可将 LSB 大小除以二，结果为 12.2 mV。5 V 系统所需的位数的计算方式很简单：1.44*ln（满量程范围/LSB）。对于本电路，位数为 18.6，四舍五入为 19 位。
        再强调一次，在这个成本分析中，我们使用了 1000 件价格估算。回到图 4 的前端，我们仍将使用 InAmp 器件。对于这种类型的专业器件，典型成本仍为大约 3 美元。
        在 InAmp 后面，无需再使用两个放大器。这样可以节省大约 2 美元。由于 ∑∆-ADC 可通过数字方式执行电平位移功能，因此也不再需要 FDA。这样又可以节省大约 2 美元。
        最后，SAR-ADC 接收 FDA 的差分信号。此应用电路测量流经负载的电流。该高压侧电流传感器电路要求不超过 12 位的转换结果粒度。再次参考图 2，24 位 ∑∆-ADC 的典型成本为大约 5.30 美元。
        在图 4 中，我们不再需要前端电路，这样就降低了电路复杂性和成本。此电路中唯一剩余的模拟器件是 InAmp。在本例中，前端成本为大约 3 美元。

∑∆-ADC 的全面功能
        此信号已进入 24 位系统，没有增益。在这个 24 位系统中，LSB 大小相当于 12 位系统具有 4098 的增益（图 5）。

图 5： 在这个 24 位系统中，LSB 大小相当于 12 位系统具有 4098 的增益。（图片来源： Digi-Key Electronics）
        虽然特定传感器的 ∑∆-ADC 的输入范围很小，但转换器能够为所有传感器产生 12 位的分辨率，而且没有信号调节阶段。
        现在我们通过实例描述这种方法。一旦找到满量程范围为 5 V 的 24 位 ∑∆-ADC，设计人员将有机会不再使用一些信号链元件。如果进一步采用这种方法，他们可以使用带有内部可编程增益放大器 (PGA) 的 ∑∆-ADC，允许在 ∑∆-ADC 内部添加模拟信号链元件（图 6）。

图 6： AD7124-8 24 位 ∑∆-ADC，带有 4/16 个输入引脚。（图片来源：Analog Devices）
        八个差分输入的 AD7124-8 24 位 ∑∆-ADC 是一种低噪声解决方案，包含可编程增益（1 至 128）、内部电压基准和内部时钟振荡器。该器件非常适合消除图 2 所示的繁杂模拟信号调节电路。

总结
        本文简要论述了为什么使用 24 位转换器来替代多个 12 位器件通常是更好的方案，以及如何降低多传感器器件的模拟前端的成本和复杂性。
        我们使用 Analog Devices 的 AD7124-8BCPZ-RL7 8 通道、低噪声、低功耗 ∑∆ ADC 作为示例。有了该器件，我们不再需要 PGA 和电压基准。
参考资料
"Accuracy comes in many flavors", Baker, Bonnie, EDN, January 8, 2004, pg. 22