沈省
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摘要：DAQ即数据采集，被现代设备广泛的用于各种物理量信号的采集，如电压幅值、电流大小、温度高低、压力大小、声音大小等。是各种电控系统的基础，好比人的眼睛、耳朵。数据采集是结合了计算机（数字处理）的检测软硬件产品来实现的。
关键词：DAQ；物联网系统；模拟前端
对低功耗、低噪声模拟前端(AFE)的需求在当今许多应用中变得越来越重要，如数据采集系统(DAQs)、现场仪器、物联网(loT)和自动测试设备。在许多情况下，高分辨率、低噪声和低功耗模数转换器(ADC)的出现突出了这一需求，如TI的24位ADS127L01Delta-SigmaADC。这些adc还需要免费的低功耗、低噪声afe来支持它们。这些新的系统解决方案允许系统设计者在数据采集、无线计量和现场仪表系统中集成更多的通道。改进的ADC和AFE设计解决方案也更好地支持和改进了众多功率敏感loT应用。该设计展示了一个完整的低功耗、低噪声AFE和ADC解决方案，旨在支持功率敏感应用。系统架构如图1所示。
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图1系统架构
1 系统设计理论
TIDA-01013设计的主要目标是开发一个±10v,30khz输入信号的AFE系统。系统的噪声对ADS127L01的噪声性能和总体功耗影响不明显一个AFE设计需要几个组件来有效地运行。它们是高阻抗输入缓冲器、全差分放大器(FDA)、ADC和电压(VREr)。以下部分详细介绍了该系统设计的设计考虑事项和挑战，包括理论、计算、元件选择、仿真和测量结果。TINA-TITM和Cadence@Virtuoso工具被用来帮助开发。
1.1 高阻缓冲器
输入链的第一级是由两个opa191组成的缓冲级。这一阶段的目的是为弱传感器输出提供高输入阻抗，并将其驱动到下一个信号调理阶段。OPA191JFET输入级提供10132的高共模输入阻抗(Z)和100MQ的差分输入阻抗(Z)。此外，该器件还提供了出色的低静态电流为140μA每个放大器，宽带噪声水平为15nV/Hz，适用的THD性能为0.0012%(f=1kHz,G=1和Vo=3.5Veus)。最大功率轨为±18v，远高于±10v的信号。由于OPA191是一种轨到轨的输入/输出放大器，功率轨可以更接近输入信号而不会在输出信号中增加明显的失真，从而降低总体功耗。选择±5.2V的电源导轨，因为它们提供了更好的THD性能。增益带宽乘积为2.5MHz，这对于30khz的感兴趣信号来说是绰绰有余的。
1.2 全差分ADC驱动
ADS127L01高精度ADC的TIDA-01013输入驱动电路由两部分组成:配置了二阶多反馈(MFB)滤波器的HS4551(THS4561)全差分放大器和一阶低通RC滤波器。THS4551(THS4561)用于输入信号的信号调理，其低输出阻抗在信号源和ADC的开关电容输入之间提供缓冲。低通RC滤波器有助于减弱来自开关电容输入级的采样电荷注入，在每个采样期间抽取电流。为了满足ADS127L01的分辨率、线性度和噪声性能，需要仔细的前端电路设计。
1.3 电压
如果ADC中没有内部电路，或者内部电路的精度不足以满足系统的性能目标，则在DAQ中使用外部电压电路。这些电路必须为ADC输入提供低漂移、低噪声和精确的电压。然而，大多数点的输出宽带噪声可能只有100VMs。这种噪声会降低精密adc的噪声和线性性能，典型的噪声约为几十个uVoMs。此外，电压器件通常具有较弱的驱动能力，必须仅用于驱动高阻抗输入。为了优化ADC性能，必须对电压基准的输出进行适当的缓冲和滤波，以驱动ADS127L01的开关电容采样输入。
一种更简单的方法是使用带有集成缓冲器的低噪声电压器件，如REF6030。拥有一个集成的缓冲区是非常有益的，因为它减少了内存占用和设计的复杂性。
1.4 供电网络
该系统需要各种电压幅值来满足系统需求。所有电压轨均由一个外部12v直流电源产生。通过TPS560200和TPS7XX系列器件转变为系统所需电压,其中包括两个数字电压(D1.8V和D3.3V)和三个模拟电压(3.3V,5.2V,-5.2V)。每个钢轨通过使用DC-DC变换器来有效地产生略高于每个输出电压钢轨的中间电压，然后使用适当的LDO来抑制DC-DC变换器的开关纹波。
1.5 24BitADC
为系统找到合适的ADC是一项挑战。有许多参数需要考虑，如分辨率、采样率、噪声性能、线性度和输入电压范围。此外，功耗和占用空间大小是移动应用程序的关键限制。选择ADS127L01是因为它具有VLP模式，这将功耗降低到9.6mW，同时保持至少105dB信噪比。ADS127L01还具有一个内置的数字低通滤波器，它可以衰减更高频率的信号和噪声，并决定ADC的整体频率响应。用户可以选择一个带两个过渡带之一的宽带滤波器(宽带1或宽带2)或一个sinc滤波器。在这种应用中，宽带2滤波器因其扩展的平通带和有限的信号混叠而被选择。有关数字滤波器响应特性的更多信息，请参见ADS127L01数据表。数字滤波器还负责抽取delta-sigma调制器输出到高分辨率数据字。最终输出数据率(fdata)等于调制器采样频率(fmod)除以过采样比(OSR)。ADS127L01中的宽带滤波器提供四个OSR选项来配置数据速率:32、64、128和256。在这个应用中，OSR=32被用来设置输出数据速率为125kSPS和单位增益带宽为50kHz。这确保30khz输入信号不会被ADC的数字滤波器衰减。
1.6 TIDA-01013模拟前端
TIDA-01013子系统设计如图2所示。
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图2TIDA-01013子系统图
3试验与测试结果
设计板上执行的各种测试的测试设置、程序和性能结果采用音频精度2700系列信号发生器作为信号源，测试了AFE和ADC的性能。AP2700的噪声和THD有足够的性能，不限制测量。为了不受信号源的限制，使用高质量的信号源是至关重要的。一个通用的直流电源用于产生12v直流输入电压AP2700被设置为输出各种输入信号的频率和振幅，以捕获信噪比和拉力测量。测试结果各项数据均有较为优异的表现结果。
4 结束语
本模拟前端设计具有一个完整的低功耗和低噪声模拟前端(AFE)解决方案，适用于无线传感器物联网应用。通过将TI的单端OPA191缓冲器与THS4451(THS4561)全差动运算放大器配合使用，此低功耗、低噪声解决方案能以极低功耗(VLP)模式驱动高精度24位ADS127L01ADC。TIDA-01013AFE和ADC系统具备104dB的信噪比(SNR)，并且功耗仅为40mW。
文献：