在涉及到溫度測量、壓力測量、工業流程控制的便攜式醫療設備和工業自動化領域，12 位轉換器足以成為我們理想的選擇。但是，如果考慮到整個多傳感器系統設計，那么 24 位轉換器可能是更加經濟高效的選擇，本文將解釋其中的原因。

開始進行系統設計時，設計人員通常著手開發 12 位系統，首先從 12 位轉換器開始，然后開發前端模擬鏈。但是，由于前端電路涉及到多個放大器，因而會增加設計時間、空間和復雜性，最終提高整體成本。

我們可以采用更好的方法。本文簡要討論了如何使用 8 通道 24 位轉換器來取代所有 12 位信號鏈。我們將使用Analog Devices的AD7124-8BCPZ-RL78 通道、低噪聲、低功耗模數轉換器 (ADC) 作為示例。

典型 12 位多傳感器設計

在開發便攜式感應系統時，設計人員首先確定他們需要 12 位、14 位還是 16 位系統，然后著手開發該系統。設計工作從前端模擬鏈和相應的逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 開始。

我們可能發現一些系統集成了多個傳感器，這是非常合理的現象。患者監護儀就是很好的例子，它用于收集溫度、體重、血氧和語言能力狀態（圖 1）。

圖 1： 帶有錄音器的患者監護儀是多傳感器系統的很好例子。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

常見的 12 位感應系統執行高壓側或低壓側系統電流測量。在此類系統中，我們使用低阻值電阻器 (RSHUNT)，通過將電流轉換為電壓來感應系統電流（圖 2）。該圖顯示了標準高壓側電流感應電路，該電路使用 SAR-ADC，最終將系統的電流轉換為可用的數字值。

圖 2： 典型 12 位高壓側電流感應電路顯示了 SAR-ADC，它將 RSHUNT感應的電流轉換為可用的數字值。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在圖 2 中，低阻值分流電阻器與儀表放大器 (InAmp) 連接，該放大器能夠感應接近電源電壓值的電壓。InAmp 的輸出在 0 至 100 毫伏 (mV) 范圍內。對于 12 位系統，此處的最低有效位 (LSB) 大小為 24.4 毫伏 (mV)。然后，兩個放大器為此信號提供增益，二者均為 -10 V/V。在電路中的這個位置，信號的輸出范圍為 0 至 10 伏特。隨后，信號進入全差分放大器 (FDA)。該放大器適當地為 SAR-ADC 差分輸入引腳提供差分輸出，LSB 大小為 1.22 mV。

下面的成本分析將使用 1000 件價格估算。回到圖 2 中的前端，InAmp 器件是一種專業器件，因為它能夠精確地感應電源附近的小輸入信號。這部分電路的弊端是 RSHUNT必須盡可能低，試圖讓負載的電源盡可能保持恒定。對于這種類型的專業器件，成本估算為大約 3 美元。

在 InAmp 后面，還有兩個運算放大器 (OpAmp)。兩個運算放大器都是雙配置的一部分。這些放大器必須具有較低的輸入偏置電流、補償電壓和噪聲。當信號進入 SAR-ADC 時，輸入偏置電流和補償電壓將增加失調誤差。高放大器噪聲將影響信號鏈的信噪比 (SNR)。對于這種類型的雙放大器，成本估算為大約 2 美元。

FDA 接收運算放大器的輸出信號。FDA 的功能是將單端信號變成差分輸出，將滿量程范圍乘以 0.4 V/V，讓電平位移達到 2.5 伏特。對于 FDA，成本估算為大約 2 美元。

最后，SAR-ADC 接收 FDA 的差分信號。此應用電路測量流經負載的電流。該高壓側電流傳感器電路要求不超過 12 位的轉換結果粒度。在圖 2 中，12 位 SAR-ADC 的典型成本為大約 5 美元。

圖 2 中的前端電路涉及多個芯片，包括四個放大器，因而會增加設計時間、空間和復雜度，最終還會增加成本。在本例中，前端成本為大約 7 美元。

這個過程可在多個感應電路上執行，但本例將使用 Analog Devices 提供的 24 位三角積分 (∑?) 轉換器。

使用 24 位轉換器取代 12 位轉換器

我們可以采用更好的方法來實現圖 2 所示的電路。SAR-ADC 功能需要信號調節電路、模擬多路復用器和放大器驅動器。替代方法是將轉換器更換為 ∑?-ADC（圖 3）。

圖 3： 感應電路方框圖：頂部框圖使用 SAR-ADC 作為轉換器。底部框圖使用 ∑-ADC 作為轉換器。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

圖 3 顯示了 SAR-ADC 和 ∑?-ADC 信號路徑之間的基本差異。SAR-ADC 信號路徑需要信號調節，為小傳感器信號做好準備，以滿足轉換器的輸入范圍。∑?-ADC 信號路徑中的傳感器連接是直接連接到轉換器的輸入。

使用 ∑?-ADC 信號鏈，設計人員可以忘記模擬增益級，消除電平位移電路。該電路仍將繼續使用 InAmp，因為它提供了針對過壓事件的保護功能，但其他所有放大器都是不必要的（圖 4）。

圖 4： 使用 ∑?-ADC 的高壓側電流感測，顯示已更換的元件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

對于以上系統，最令人關注的是 LSB 大小為 24.4 mV。出于精確度的原因，我們可將 LSB 大小除以二，結果為 12.2 mV。5 V 系統所需的位數的計算方式很簡單：1.44*ln（滿量程范圍/LSB）。對于本電路，位數為 18.6，四舍五入為 19 位。

再強調一次，在這個成本分析中，我們使用了 1000 件價格估算。回到圖 4 的前端，我們仍將使用 InAmp 器件。對于這種類型的專業器件，典型成本仍為大約 3 美元。

在 InAmp 后面，無需再使用兩個放大器。這樣可以節省大約 2 美元。由于 ∑?-ADC 可通過數字方式執行電平位移功能，因此也不再需要 FDA。這樣又可以節省大約 2 美元。

最后，SAR-ADC 接收 FDA 的差分信號。此應用電路測量流經負載的電流。該高壓側電流傳感器電路要求不超過 12 位的轉換結果粒度。再次參考圖 2，24 位 ∑?-ADC 的典型成本為大約 5.30 美元。

在圖 4 中，我們不再需要前端電路，這樣就降低了電路復雜性和成本。此電路中唯一剩余的模擬器件是 InAmp。在本例中，前端成本為大約 3 美元。

∑?-ADC 的全面功能

此信號已進入 24 位系統，沒有增益。在這個 24 位系統中，LSB 大小相當于 12 位系統具有 4098 的增益（圖 5）。

圖 5： 在這個 24 位系統中，LSB 大小相當于 12 位系統具有 4098 的增益。（圖片來源： Digi-Key Electronics）

雖然特定傳感器的 ∑?-ADC 的輸入范圍很小，但轉換器能夠為所有傳感器產生 12 位的分辨率，而且沒有信號調節階段。

現在我們通過實例描述這種方法。一旦找到滿量程范圍為 5 V 的 24 位 ∑?-ADC，設計人員將有機會不再使用一些信號鏈元件。如果進一步采用這種方法，他們可以使用帶有內部可編程增益放大器 (PGA) 的 ∑?-ADC，允許在 ∑?-ADC 內部添加模擬信號鏈元件（圖 6）。

圖 6： AD7124-8 24 位 ∑?-ADC，帶有 4/16 個輸入引腳。（圖片來源：Analog Devices）

八個差分輸入的 AD7124-8 24 位 ∑?-ADC 是一種低噪聲解決方案，包含可編程增益（1 至 128）、內部電壓基準和內部時鐘振蕩器。該器件非常適合消除圖 2 所示的繁雜模擬信號調節電路。

總結

本文簡要論述了為什么使用 24 位轉換器來替代多個 12 位器件通常是更好的方案，以及如何降低多傳感器器件的模擬前端的成本和復雜性。

我們使用 Analog Devices 的 AD7124-8BCPZ-RL7 8 通道、低噪聲、低功耗 ∑? ADC 作為示例。有了該器件，我們不再需要 PGA 和電壓基準。