Расчет источника опорного напряжения ацп

АЦП измеряет напряжение сигнала, поступающего на дифференциального вход, путем вычитания напряжения входов VIN = (AINP - AINN), и VREF = (VREFP - VREFN). Подаваемое напряжение опорное напряжение масштабируется внутри АЦП в два раза. Таким образом, для того, чтобы обеспечить динамический диапазон сигнала в 5В, нужно подать опорное напряжение 2,5В. Динамический диапазон опорного напряжение в 5В обусловлен тем, что входное напряжение сигнала не превышает 5В, т.к. используется ОУ с технологией Rail-to-Rail, т.е. максимальное выходное напряжение ОУ равно напряжению питания.

Шум опорного напряжения является очень важной характеристикой и может внести дополнительную погрешность в работу АЦП, если не уделить проектированию ИОН должного внимания. Первым шагом к снижения шумов в системе является использование источника опорного напряжения (ИОН) на стабилитроне, а не транзисторного источника опорного напряжения, величина которого определяется шириной запрещённой зоны используемого полупроводника. Использование стабилитрона помогает свести к шум к минимуму, потому что опорное напряжение на стабилитроне имеют шум на выходе порядка 100 нВ√Гц на 10 В. Однако, даже плотность шумов 100нВ√Гц может быть достаточно велика при работе с АЦП с большим разрешением. Особенно с АЦП 16 и более битов в полномасштабных диапазонах 5В или меньше. Например, шум в 100 нВ√Гц в 20-килогерцовой полосе при усилении -3 дБ в результате дает среднеквадратичное значение в 17,7 мкВ (100 мкВ от пика до пика), в то время, как один младший бит 16-разрядного АЦП в масштабной системы 5 В составляет около 76 мкВ. Такое напряжение шумов нежелательно, если надо получить высокоточный результат преобразования. Поэтому, в данном проекте нельзя использовать ИОН на стабилитроне.

Цепь опорного напряжения, оптимизированная для переменного и постоянного тока и выдает опорное напряжения со сверхнизким уровнем шума изображена на рисунке 2.36.

Рисунок 2.37 – схема источника опорного напряжения.

Плотность выходного шума у этой схемы ниже, чем 1,5 нВ по опорному напряжению от +2,5 В до +10 В с током нагрузки 20 мА и более. D1 это 5-вольтовый транзисторный ИОН, который устанавливает базовое опорное напряжение схемы 2,5 В. В качестве микросхемы базового опорного напряжения используется LTC6655BHMS8-2.5#PBF. Её напряжение питания лежит в диапазоне от 3 В до 13,2 В, имеет низкий уровень шума 60 нВ√Гц на частоте до 100 Гц, нелинейность 0,025% и температурный дрейф 2ppm/°C.

С выхода D1 подается стабильное выходное напряжение 2,5 В ±500 мкВ на ФНЧ, состоящей из R1, C3 и C4. Особенностью этого ФНЧ является использование электролитических конденсаторов для достижения низкой частоты пропускания. Конденсатор С4 допускает утечку, производя небольшое падение постоянного тока через R2. Через конденсатор С1 проходит ток из-за небольшого падение напряжения на резисторе R2 в качестве эффективного потенциала смещения, которое порядков меньше приложенного значения 2,5 В. В результате, существует незначительное падение напряжение на резисторе R1 из-за утечки конденсатора и схема имеет низкую ошибку постоянного тока в качестве фильтра. Для значений R1 1 кОм, C3, C4 100 мкФ, усиление -3 дБ приходится на частоту 1,7 Гц, а фильтр уменьшает шум на частоте 100 Гц почти на 40 дБ.

Микросхема D2 выполняет функцию повторителя, построенного на операционном усилителе ADA4528, который мы рассмотрели ранее. Что бы сохранить низкий шум схемы, резисторы для D2 желательно брать с минимальным сопротивлением. Резисторы обратной связи R16, R17 служат для компенсации смещения резисторов R1 и R7, шунтирования по переменному току и устранения теплого шума. Резистор R18 ограничивает всплеск тока входного каскада D2.