模擬前端處理的對象是信號源給出的模擬信號
，其主要功能通常包括信號放大

、濾波
、接收ADC和/或發送路徑數據轉換(DAC)等
，對於特定應用領域可能還包括頻率變換或者調製解調等其他功能。而放大器和ADC是此類應用中最重要的兩個模塊
，特別是常見的傳感器信號處理模擬前端。

 

那麼典型的模擬前端電路應當如何設計呢？本文從高性能模擬技術提供商ADI公(gong)司(si)的(de)一(yi)款(kuan)典(dian)型(xing)電(dian)磁(ci)流(liu)量(liang)計(ji)案(an)例(li)為(wei)例(li)進(jin)行(xing)應(ying)用(yong)分(fen)析(xi)
，該(gai)應(ying)用(yong)中(zhong)就(jiu)涉(she)及(ji)到(dao)最(zui)典(dian)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)采(cai)集(ji)處(chu)理(li)，對(dui)常(chang)見(jian)的(de)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)設(she)計(ji)具(ju)有(you)參(can)考(kao)意(yi)義(yi)。

 

過采樣法簡化模擬前端架構

 

dianciliuliangjishimuqianshiyongzuiweiguangfandeliuliangjishuzhiyi，zhuyaoyongyuyetiliuliangceliang
，zhongdianshizilaishuiyuwushuichulixitong。dianciliuliangjidegongzuoyuanlijiyufaladidianciganyingdinglv——dangdaodianliutiliujingchuanganqidecichangshi
，yiduidianjizhijianjiuhuichanshengyutijiliuliangchengzhengbidediandongshi，yinertongguocelianggaidianshishixianduiliuliangdepanduan，qizhuyaodefazhanqushishijianshaoPCB麵積和提升性能。

 

針對其模擬前端，傳統方法大致上是模擬式——juyougaoshuruzukanghegaoshurugongmoyizhixingnengdeqianzhifangdaqiyonglaiyingduichuanganqiloudianliuxiaoying，ranhoushisanjiehuosijiemonidaitonglvboqihecaiyangbaochiji，zuihoushimoshuzhuanhuan。ruxiatusuoshi，chuanganqishuchuxinhaoshouxianjingyouyibiaofangdaqifangda。bixujinliangfangdamubiaoxinhao
，tongshiyaobimianbuxuyaodezhiliugongmodianyayinqifangdaqishuchubaohe。zhetongchanghuijiangdiyijiyibiaofangdaqidezengyixianzhizaizuiduo10 倍。帶通濾波器級進一步消除直流影響，並再次放大信號，然後進入采樣保持電路——正是這個差值信號代表流速——隨後送至模數轉換器。 

 

傳統模擬前端方法

 

過采樣方法大大簡化了模擬前端設計。模擬帶通濾波器和采樣保持電路不再需要。電路中的前置放大器僅有一級儀表放大器——在我們的例子中是AD8220 JFET 輸入級軌到軌輸出儀表放大器，它可以直接連接到高速Σ-Δ 型轉換器。

 

采用AD8220 和AD717x-x 的過采樣架構模擬前端

 

影響模擬前端設計的幾大關鍵因素解析

 

Ø  放大器

 

第一級放大器有幾項關健要求。一個要求是共模抑製比 (CMRR)。在zai電dian磁ci流liu量liang計ji應ying用yong中zhong，電dian極ji的de金jin屬shu材cai料liao與yu電dian解jie質zhi液ye體ti接jie觸chu。液ye體ti電dian解jie質zhi與yu電dian極ji之zhi間jian的de摩mo擦ca會hui產chan生sheng較jiao高gao頻pin率lv的de交jiao流liu共gong模mo電dian壓ya。雖sui然ran幅fu度du通tong常chang很hen小xiao
，但dan交jiao流liu共gong模mo表biao現xian為wei完wan全quan隨sui機ji的de噪zao聲sheng，更geng難nan抑yi製zhi。這zhe就jiu要yao求qiu前qian置zhi放fang大da器qi不bu僅jin具ju有you良liang好hao的de直zhi流liu共gong模mo抑yi製zhi比bi，而er且qie要yao有you出chu色se的de較jiao高gao頻pin率lv共gong模mo抑yi製zhi比bi。AD8220 放大器在直流到5 千赫茲範圍內具有出色的共模抑製比。對於AD8220 B 級，直流到60 赫茲範圍的最小共模抑製比為100 dB
，5 千赫茲以下為90 dB
，能夠很好地將共模電壓和噪聲抑製到微伏水平。當共模抑製比為120 dB 時，0.1 伏峰峰值降低到0.1 微伏峰峰值。

 

前置放大器的共模抑製

 

qianzhifangdaqijidediloudianliuhegaoshuruzukangshiyouyizhongyaocanshu。fangdaqidegaoshuruzukangkefangzhichuanganqishuchuguozai，bimianxinhaofudujianxiao。fangdaqideloudianliuyingzugoudi，zheyangdangtaliujingchuanganqishi，buhuichengweiyigexianzhudewuchayuan。AD8220 的最大輸入偏置電流為10 pA，輸入阻抗為1013Ω，因此它能支持電磁流量傳感器的廣泛輸出特性。最後
，0.1 赫茲至10 赫茲範圍的1/f 噪聲設置應用的噪底。當增益配置為10 時
，AD8220 折合到輸入端的電壓噪聲約為 0.94 μV p-p，它能分辨6 毫米/秒的瞬時流速和小於1 毫米/秒的累計流速。

 

Ø  ADC

過采樣方法既帶來了挑戰，也對ADC 模塊提出了更高的性能要求。由於沒有後級模擬濾波器有源增益級，所以僅有一小部分的ADC 輸shu入ru範fan圍wei獲huo得de使shi用yong。過guo采cai樣yang和he平ping均jun本ben身shen不bu等deng於yu性xing能neng的de顯xian著zhu提ti高gao，因yin為wei各ge傳chuan感gan器qi周zhou期qi需xu要yao完wan全quan建jian立li下xia來lai才cai能neng用yong於yu流liu量liang計ji算suan。此ci外wai，需xu要yao從cong這zhe些xie有you限xian的de數shu據ju點dian獲huo得de足zu夠gou多duo的de模mo數shu轉zhuan換huan樣yang本ben，從cong而er在zai固gu件jian處chu理li過guo程cheng中zhong消xiao除chu意yi外wai毛mao刺ci。

 

模擬前端和ADC 的噪聲預算

 

過采樣架構一般要求ADC 數據速率大於20 kSPS，越快越好。 這與實際流量測量沒有明確關係。由於不存在模擬帶通濾波 器，ADC 輸入端會直接看到傳感器原始輸出。這種情況下
， 傳感器的上升沿未經濾波，因此ADC 在上升沿和下降沿期間 須具有足夠高的分辨率
，以便足夠準確地捕捉這些邊沿。

 

流量計的精度本身可通過瞬時流量測量或累計流量測量來確定。流量計標準采用累計流量技術 — 測量長時間（比如30 或60 秒）內某一水量的平均流量。通過這種測量（而非瞬時 流量測量）可確定係統精度為±0.2%。瞬時流量適合需要實時流速的應用場合。它對電子器件的精度要求要高得多。理論上，為了分辨5 毫米/秒的瞬時流量，ADC 需要在一個激勵周期（約600樣本的後置FIR濾波器）內實現20.7 位的峰值分辨率。這可通過模擬前端來實現。

 

我們的方案中采用的是ADI公司低噪聲、多路複用Σ-Δ型模數轉換器AD7172-2
，該ADC提供低輸入噪聲和高采樣速度的完美組合，特別適合電磁流量應用。采用2.5 V 外部基準電壓源時，AD7172-2 的典型噪聲低至0.47μV p-p。這意味著，最終流量結果的刷新速率可以達到50 SPS，而不需要增加外部放大級。

 

本文總結：

 

本文僅提供了一個一般的應用場景下的模擬前端設計參考思路

，根據傳感器具體類型和待測電壓/電流幅度的不同

，不同的模擬前端電路設計會麵臨各種的挑戰
，例如：信號可能需要放大或衰減

，從而匹配模數轉換器(ADC)的滿量程輸入範圍，以供進一步的數字處理和反饋控製

；而er在zai典dian型xing的de數shu據ju采cai集ji係xi統tong中zhong，需xu要yao衰shuai減jian的de信xin號hao與yu需xu要yao放fang大da的de信xin號hao會hui分fen別bie通tong過guo不bu同tong的de信xin號hao路lu徑jing進jin行xing處chu理li
，這zhe些xie不bu同tong路lu徑jing放fang大da器qi往wang往wang不bu能neng提ti供gong許xu多duo工gong業ye和he儀yi器qi儀yi表biao應ying用yong所suo需xu的de高gao直zhi流liu精jing度du和he溫wen度du穩wen定ding性xing，同tong時shi也ye會hui導dao致zhi係xi統tong設she計ji更geng為wei複fu雜za
，從cong而er大da量liang占zhan用yong電dian路lu板ban空kong間jian。在zai具ju體ti的de應ying用yong中zhong需xu要yao結jie合he應ying用yong場chang景jing的de具ju體ti要yao求qiu進jin行xing電dian路lu調tiao整zheng和he優you化hua。