手把手教你，设计典型的模拟前端电路

▍过采样法简化模拟前端架构

传统模拟前端方法 过采样方法大大简化了模拟前端设计。模拟带通滤波器和采样保持电路不再需要。电路中的前置放大器仅有一级仪表放大器——在我们的例子中是AD8220 JFET 输入级轨到轨输出仪表放大器，它可以直接连接到高速Σ-Δ 型转换器。

采用AD8220 和AD717x-x 的过采样架构模拟前端

▍影响模拟前端设计的几大关键因素解析

放大器
第一级放大器有几项关健要求。一个要求是共模抑制比 (CMRR)。在电磁流量计应用中，电极的金属材料与电解质液体接触。液体电解质与电极之间的摩擦会产生较高频率的交流共模电压。虽然幅度通常很小，但交流共模表现为完全随机的噪声，更难抑制。这就要求前置放大器不仅具有良好的直流共模抑制比，而且要有出色的较高频率共模抑制比。AD8220 放大器在直流到5 千赫兹范围内具有出色的共模抑制比。对于AD8220 B 级，直流到60 赫兹范围的最小共模抑制比为100 dB，5 千赫兹以下为90 dB，能够很好地将共模电压和噪声抑制到微伏水平。当共模抑制比为120 dB 时，0.1 伏峰峰值降低到0.1 微伏峰峰值。

前置放大器的共模抑制

前置放大器级的低漏电流和高输入阻抗是又一重要参数。放大器的高输入阻抗可防止传感器输出过载，避免信号幅度减小。放大器的漏电流应足够低，这样当它流经传感器时，不会成为一个显著的误差源。AD8220 的最大输入偏置电流为10 pA，输入阻抗为1013Ω，因此它能支持电磁流量传感器的广泛输出特性。最后，0.1 赫兹至10 赫兹范围的1/f 噪声设置应用的噪底。当增益配置为10 时，AD8220 折合到输入端的电压噪声约为 0.94 μV p-p，它能分辨6 毫米/秒的瞬时流速和小于1 毫米/秒的累计流速。

ADC 过采样方法既带来了挑战，也对ADC 模块提出了更高的性能要求。由于没有后级模拟滤波器有源增益级，所以仅有一小部分的ADC 输入范围获得使用。过采样和平均本身不等于性能的显著提高，因为各传感器周期需要完全建立下来才能用于流量计算。此外，需要从这些有限的数据点获得足够多的模数转换样本，从而在固件处理过程中消除意外毛刺。

模拟前端和ADC 的噪声预算

过采样架构一般要求ADC 数据速率大于20 kSPS，越快越好。这与实际流量测量没有明确关系。由于不存在模拟带通滤波 器，ADC 输入端会直接看到传感器原始输出。这种情况下， 传感器的上升沿未经滤波，因此ADC 在上升沿和下降沿期间 须具有足够高的分辨率，以便足够准确地捕捉这些边沿。 流量计的精度本身可通过瞬时流量测量或累计流量测量来确定。流量计标准采用累计流量技术 — 测量长时间（比如30 或60 秒）内某一水量的平均流量。通过这种测量（而非瞬时 流量测量）可确定系统精度为±0.2%。瞬时流量适合需要实时流速的应用场合。它对电子器件的精度要求要高得多。理论上，为了分辨5 毫米/秒的瞬时流量，ADC 需要在一个激励周期（约600样本的后置FIR滤波器）内实现20.7 位的峰值分辨率。这可通过模拟前端来实现。 我们的方案中采用的是ADI公司低噪声、多路复用Σ-Δ型模数转换器AD7172-2，该ADC提供低输入噪声和高采样速度的完美组合，特别适合电磁流量应用。采用2.5 V 外部基准电压源时，AD7172-2 的典型噪声低至0.47μV p-p。这意味着，最终流量结果的刷新速率可以达到50 SPS，而不需要增加外部放大级。

▍本文总结