Системы сбора данных представляют собой ключевой элемент промышленных приложений, востребованность которых постоянно растет. Обычно они применяются для измерения температуры, расхода жидкостей и газа, уровня заполнения, давления и других физических величин, которые преобразуются с высоким разрешением в цифровую форму и передаются для дальнейшей обработки с помощью программного обеспечения. Требования к точности и скорости таких систем постоянно возрастают. В статье представлено решение на основе инструментального усилителя с программируемым коэффициентом усиления, который подготавливает сигнал для аналого-цифрового преобразователя. Такое согласованное сочетание позволяет достичь высокой точности преобразования сигнала и создать высококачественную систему сбора данных.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП), входящие в состав систем сбора данных, определяют основные характеристики системы. Однако на общую точность системы влияют также параметры входного драйвера АЦП. Задача драйвера — буферизация и усиление входного сигнала. Кроме того, он должен увеличивать амплитуду входного сигнала или формировать полностью дифференциальный сигнал, чтобы перекрывать диапазон входного напряжения АЦП и обеспечивать требования АЦП по синфазному напряжению. Исходный сигнал не должен быть искажен в процессе преобразования. В качестве входных драйверов часто используют инструментальные усилители с программируемым коэффициентом усиления (PGIA).
Пример подходящего PGIA для прецизионных систем сбора данных — LTC6373 от Analog Devices. Он обеспечивает, помимо полностью дифференциальных выходов, высокую точность по постоянному току, низкий уровень шума, малые искажения и широкую полосу пропускания (4 МГц) при коэффициенте усиления, равном 16. Сигнал с данного PGIA может подаваться напрямую на входы АЦП, поэтому усилитель может быть применен в бесчисленном множестве задач преобразования сигналов.
На рис. 1 показан пример использования LTC6373 совместно с AD4020 — прецизионным 20‑разрядным АЦП со скоростью преобразования 1,8 Мвыб / с.

Как видно на схеме, LTC6373 имеет связь по постоянному току на входе и выходе, что устраняет необходимость в трансформаторе для АЦП. Коэффициент усиления может быть установлен в диапазоне от 0,25 до 16 В / В с помощью выводов A2 / A1 / A0. На схеме рис. 1 LTC6373 включен в конфигурации «дифференциальный вход – дифференциальный выход» с симметричным напряжением питания ±15 В. Как вариант, входы могут работать в асимметричном режиме, если нужен дифференциальный выход.
Выходное синфазное напряжение устанавливается равным Vref / 2 с помощью вывода Vocm. Благодаря этому на выходах LTC6373 обеспечивается сдвиг уровня. Каждый из выходных сигналов LTC6373 меняется в диапазоне от 0 В до Vref (не в фазе), поэтому на входах АЦП формируется дифференциальный сигнал с амплитудой 2 · Vref. RC-цепь между выходами LTC6373 и входами АЦП образует однополюсный фильтр нижних частот, который сглаживает пики тока, возникающие при переключении конденсаторов во входных цепях АЦП. В то же время фильтр нижних частот ограничивает широкополосный шум.
На рис. 2 приведены зависимости отношения сигнал / шум (SNR) и полных гармонических искажений (THD) усилителя LTC6373, являющегося драйвером АЦП последовательного приближения AD4020 (в режиме высокого выходного импеданса), в полном диапазоне входных напряжений с размахом 10 В. При частоте выборки 1,8 Мвыб / с наилучшие результаты достигаются при сопротивлении фильтра Rfilter, равном 442 Ом. Производитель рекомендует использовать Rfilter = 887 Ом при частоте выборки 1 или 0,6 Мвыб / с.

LTC6373 может быть использован в качестве драйвера для большинства АЦП последовательного приближения с дифференциальными входами и не требует применения собственного драйвера АЦП. Однако в некоторых приложениях может быть полезным включение дополнительного драйвера между LTC6373 и прецизионным АЦП, чтобы сгладить переходные процессы LTC6373 и улучшить линейность сигнальной цепи.

Заключение
Схема, показанная на рис. 1, оптимизирована для скоростных и прецизионных систем сбора данных. Благодаря исключительным свойствам LTC6373 можно полностью реализовать весь потенциал подключенных датчиков. С помощью онлайн-инструмента ADI Precision Studio и ADC Driver Tool в его составе компания Analog Devices обеспечивает дополнительную поддержку при проектировании таких усилительных каскадов, фильтров и линейных схем. Дополнительная информация доступна на сайте tools.analog.com/en/precisionstudio.
По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте