原创 模拟信号输入与采集

在精密信号链中模拟部分主要分为模拟信号输入、模拟信号输出、电源部分三大块。在工业控制中模拟信号的频率一般较低，如何尽可能保持信号直流特性的完整性是设计的关键。

模拟输入部分要调理和转换的主要是两大类：一是单端电压和电流的调理和转换，另一是传感器信号的调理和转换。

单端电压输入：由于我们不知道信号源的阻抗，为了防止高输出阻抗的信号源对ADC的影响，在将信号送入ADC进行转换之前，我们至少在信号输入和ADC输入之间放置一个运放作为缓冲级。运放除了具有高输入阻抗低输出阻抗的特性外，还能够完成放大、滤波、直流偏置、算术运算等。

在精密信号链中，我们常常需要提供上百倍的放大倍数，这时mV级的失调信号就会带来极大的输出误差，甚至使运放输出饱和，因此我们特别关注运放的直流参数。主要有：

运放在工作频率处的环路增益

输入失调电压及其漂移

输入偏置电流及其漂移

通带内运放的噪声

其中输入偏置电流和输入失调电压对运放直流精度的影星最为直观，它们主要有运放的输入级工艺所决定,现在常见的工艺有Bipolar,JFET,CMOS,Difet。

1.  Biploar

主要分高速和精密两种：

高速双极型放大器：此类放大器优异的功率增益以最低静态功耗实现了极高的输出功率及全功率带宽。

精密双极型放大器：具有低失调电压、低温度漂移、高开环增益、高共模抑制比的特点，广泛应用于电源阻抗较低、要求放大倍数较大的应用中（如压力、温度测量）。

2.  JFET

当信号源阻抗非常高时，FET输入的放大器由于具有非常低的输入偏置电流，因而较双极型输入放大器来说具有更好的总体精度。当电路对低电流误差有需求时（如500M欧探针），场效应管放大器能提供非常低的偏置电流、低失调电流及高输入阻抗。

需要注意的是，FET型运放的偏置电流一般随温度升高而剧烈变化，因此在应有于温度范围宽的场合时就必须考虑这一因素。

3.  CMOS

当设计的主要考虑因素为低电压/低功耗、卓越的速度与功耗比、轨至轨性能以及小外形封装时，可选择CMOS放大器。

CMOS放大器经常工作在单电源低电压的环境中，具有轨至轨输出特点。此外，具有自归零、零漂移的CMOS运放使其输入失调电压可以和最好的双极型运放媲美。

4.  Difet

绝缘隔离技术能够制作超低输入泄露、精度非常高的第噪声运放（如OPA129，最大输入偏置电流为100fA）。但价格也较贵，一般应用于高端的医疗、测试设备中。

在选型时除了工艺，再按一下顺序考虑各因素，便能缩小范围。

供电电压：电压范围与是否单电源供电；

带宽：小信号通路时要考虑运放的增益带宽积，并留有足够的开环增益；

压摆率：大幅度信号时要充分考虑运放的压摆率；

精度：源阻抗或外部电阻网络值较大时要考虑输入偏置电流的影响，零温漂的放大器可以降低宽温度范围里的系统调零的难度；

噪声：失调可以在后端校正，混在信号通带内的噪声确很难校正，对于很小的信号，要充分考虑运放的1/f电压噪声，带宽电压噪声系数和电阻热噪声；

其他：轨到轨、功耗、静态电流等。

单端电流输入：主要涉及4-20mA电流源输出信号和传感器输出的微弱电流信号（如光电二极管输出的uA/nA级信号）。

对于微弱电流信号的调理通常采用传统的跨阻放大器（放大增益具有电阻量纲）或开关电容积分器，电流跨度较大（如pA级到mA级）的信号则采用对数放大器。4-20mA电流环路的接受则采用非常简单的V=IR方式，放送方可采用专用的IC做电流源输出（XTR105）。

单端信号采集：常用ADC有四类，SAR（逐次逼近）、Σ-Δ（Sigma –delta）、Pipelin（流水线结构）、Flash，主要区别在精度与速度范围：

SAR型和Σ-Δ型ADC通常以不止两倍信号频率的采样率采样，也被称为过采样ADC，其超高的直流精度、中等的采样率及低功耗符合工业PLC系统的要求。

ADC的选择主要根据速度要求与模拟输入来确定范围。

采样率：提高采样率能够降低模拟滤波器的设计难度，可以在软件中获得更好的精度。

模拟输入：输入信号的极性，大多数为ADC为单极性输入的，对于含有正负信号的双极性信号需进行一些电平抬升等处理才能被单极性ADC所接受；信号的大小，应小心控制输入给ADC的信号幅度不超过ADC满量程范围；伪差分与差分输入，伪差分输入实质上还是差分输入，其VIN-作为共模抑制端用来消除VIN+和地平面上的共模噪声，因此其共模输入范围一般是-0.2到+0.2V，而差分输入有完整的共模抑制能力，VIN-和VIN+拥有同样的输入信号范围，16位以下的SAR型ADC一般都是采用伪差分输入，16位以上的SAR型ADC和Σ-Δ型ADC一般都提供完整的差分输入级；多通道采样，工业应用场合中，多数情况下各个通道的模拟信号间没有相位关系，这时采用多路复用器配合一个单通道ADC就可以满足多通道采样的要求。

所需精度：ADC的精度一般有其位数体现，设计中要保证系统的峰峰值噪声不超过其最小分辨率（Vm/2N）。

参考电压输入：电压基准分串联型和并联型两种。串联型，类似于线性稳压器，但其输出较低、同时具有非常高的精度和非常低的温漂；并联型，原理上和二极管相似，但具有更好的稳压特性，需外部电阻与负载并联工作。

输出方式：多数高精度ADC采用SPI串行输出方式，一般当采样率高于2MSPS时彩需要采用并行输出。

参考：

德州仪器高性能模拟器件在高校中的应用及选型指南