許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都要求高精度和快速采集數(shù)據(jù)，以便允許該系統(tǒng)能夠檢測小信號并且能將更多的傳感器通道*在同一系統(tǒng)。傳感器通道越多，系統(tǒng)的外形就能夠越小，成本和功耗也越低。遠程光通信和醫(yī)用設備（例如，CT掃描儀）即得益于快速和高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在光功率系統(tǒng)（例如，激光泵）中，需要不斷監(jiān)視其功率水平。在這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對于需要≥90dB動態(tài)范圍的輸入激光功率，其激光控制環(huán)路響應時間要求具有1MSPS的采樣率。在CT掃描儀中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具有16 b到22 b的分辨率，以便處理通過各種人體組織的寬動態(tài)范圍的X射線信號。該系統(tǒng)需要大量的光檢測器（較多的數(shù)據(jù)采集通道）和高精度數(shù)據(jù)采集以提高圖像分辨率。

以上兩個例子說明了系統(tǒng)要求的是相對精度，而非絕對精度。盡管能夠檢測出10nW的功率變化相對于1μW的輸入光功率很重要，但同樣的10nW變化作為1.00001mW與1mW之差的絕對值則顯得無足輕重。然而表征模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）精度的技術(shù)指標--積分線性誤差（INL）是一種絕對誤差。為了獲得最佳相對精度，本文提出一種創(chuàng)新的解決方案是在精密ADC前端使用可編程增益放大器（PGA）。AD7677 ADC的滿量程線性誤差為±15 ppm（在16 bit分辨率條件下為±1 LSB）。在此ADC前端的PGA達到穩(wěn)定狀態(tài)的建立時間必須足夠快，以便與具有相同分辨率ADC的轉(zhuǎn)換速度相匹配。另外，該PGA還必須具有盡可能低的噪聲，因為它決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信噪比（SNR）。為了解決這些問題，本設計中的放大器采用AD8021運算放大器，它具有滿足設計要求的速度、精度和快速建立時間，并且其電壓噪聲譜密度僅為2 nV/√Hz。圖1示出該PGA增益設置與其ADC精度的對應關(guān)系。當輸入信號幅度很低時能使該系統(tǒng)達到19 b精度。

圖1 在16位 ADC前端使用一個PGA能將其精度提高到19 位

ADC的相對精度通常是指在滿度范圍被校準的情況下，任意數(shù)字量所對應的模擬量實際值與理論值之間的偏差最大值，用相對滿度范圍百萬分比（ppm）表示（也可用百分比，或LSB表示），再加減（±）其系統(tǒng)測量過程引起的最小絕對誤差所對應的ppm。圖2所示的電路設計能達到107ppm±1.9ppm的相對精度。模擬多路復用器IC4含有多個帶寬較小的通道以便利用ADC的1MSPS采樣率。因為PGA對多路復用器表現(xiàn)為高輸入阻抗，所以可級聯(lián)多個多路復用器，從而增加通道數(shù)。多路復用器還具有一個校準輸入端口，從而利用一個校準基準電壓就可以簡便地校準每次增益設置引起的失調(diào)電壓和增益誤差。校準僅需要在加電或工作條件（例如，溫度）發(fā)生變化時進行。放大鏈路由多路復用器、比較器、前置放大器和ADC組成。AD7677具有逐次逼近型結(jié)構(gòu)，它允許放大鏈路中的單獨部分同時工作。當ADC對一個通道進行采樣時，其比較器和放大器可以使隨后的通道達到穩(wěn)定。因此，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能以ADC的最大采樣速率工作。

圖2 通過PGA與16 位ADC結(jié)合使系統(tǒng)提供19 位精度

在模擬多路復用器達到穩(wěn)定之后，快速比較器IC1立刻完成適當?shù)脑鲆嬖O置。比較器的閾值電壓使信號被IC6 和IC7放大后不會飽和或嵌位。AD8561 比較器的響應時間為7 ns，它提供一個鎖定信號，能夠在放大器達到穩(wěn)定期間和ADC捕獲信號期間保持增益不變。通常的PGA配置要求用戶在輸入端施加信號之前預先設置放大器的增益。圖2中的PGA具有"自動設置增益范圍"的特點，它能夠選擇最適當?shù)腜GA增益以獲得最高精度而不引起信號飽和或嵌位。比較器包含滯后電路，以便在信號接近某一個具體增益范圍限制時減少設置的增益變化。該電路能自動將ADC的精度提高到19位，同時又能保持其1MSPS的全速采樣速率。

IC6 使用1或8的增益設置對多路復用器的輸出信號進行放大，如果需要提供最大可達到25的不同增益，可以改變反饋網(wǎng)絡電阻。模擬開關(guān)IC3控制增益的設置。運算放大器AD8021的高增益帶寬乘積能提供足夠的帶寬，因而其補償電容對所有的增益保持相同。放大器IC7 為ADC產(chǎn)生差分輸入信號。比較器和放大器的建立時間以及ADC的捕獲時間都遠小于ADC 的1μs的轉(zhuǎn)換時間。ADC兩個輸入端的RC噪聲濾波器R1/C1和R2/C2，它們占用額外時間。這些濾波器限制PGA的噪聲帶寬。當IC7 的增益為-1時，PGA是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要的噪聲源。

圖3示出該電路設計的線性誤差。在這種最高增益設置條件下達到如此低的線性誤差（圖中示出最大值為0.44 LSB，最小值為-0.37 LSB）并非易事。這相當于±0.9 ppm的典型誤差。當增益為8時，輸出噪聲為85 μV rms。如果需要，可以利用軟件平均進一步減少噪聲。圖4示出使用AD7677*估板構(gòu)成的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，印制電路板面積為15×30 mm。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于所有可能ADC數(shù)字量的線性誤差


圖4 以1美分硬幣為參照的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相對尺寸