为什么使用24位转换器来替代多个12位器件

　　图2：典型12位高压侧电流感应威廉希尔官方网站 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-KeyElectronics）
　　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-10V/V。在威廉希尔官方网站 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1.22mV。
　　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。这部分威廉希尔官方网站 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0.4V/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。此应用威廉希尔官方网站 测量流经负载的电流。该高压侧电流传感器威廉希尔官方网站 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中的前端威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 上执行，但本例将使用AnalogDevices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所示的威廉希尔官方网站 。SAR-ADC功能需要信号调节威廉希尔官方网站 、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：感应威廉希尔官方网站 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-KeyElectronics）
　　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，消除电平位移威廉希尔官方网站 。该威廉希尔官方网站 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-KeyElectronics）
　　对于以上系统，最令人关注的是LSB大小为24.4mV。出于精确度的原因，我们可将LSB大小除以二，结果为12.2mV。5V系统所需的位数的计算方式很简单：1.44*ln（满量程范围/LSB）。对于本威廉希尔官方网站 ，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。此应用威廉希尔官方网站 测量流经负载的电流。该高压侧电流传感器威廉希尔官方网站 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，我们不再需要前端威廉希尔官方网站 ，这样就降低了威廉希尔官方网站 复杂性和成本。此威廉希尔官方网站 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-KeyElectronics）
　　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5V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：AD7124-824位∑∆-ADC，带有4/16个输入引脚。（图片来源：AnalogDevices）
　　八个差分输入的AD7124-824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威廉希尔官方网站 。
　　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AnalogDevices的AD7124-8BCPZ-RL78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。