概要

      设计一个模拟信号采集的前端调理电路，通过仿真与实际调试验证测试的合理性与可行性。技术指标要求如下：

• 信号幅度0.1mVpp到1Vpp；

• 信号频率100Hz~16KHz；

• ADC采样率为96Ksps，选型为AD7920。

      针对上述指标要求，本设计的总体框图展示如下。下文将会从设计与仿真测试两个方面对该设计的整个流程稍作介绍。

设计

本节中将会从链路设计、参考电压选择，运放选择三个方面对本设计进行介绍。

      参考设计技术指标，该设计要求的可测量信号动态范围从1Vpp -> 0.1mVpp。而单单依靠AD7920一颗ADC的动态范围（72dB）无法满足，故该项目在进行结构设计时就应当考虑到多档放大的需求。即：

• 对大信号进行小倍数放大（3.14倍）以填满ADC的量程范围，实现最佳的测量性能；

• 对小信号进行大倍数放大（101倍）以将微弱信号放大到ADC可测量的范围内；

• 对信号添加直流偏置，因为带通滤波器的加入使得信号处理过程中必定会存在无直流的传递路径。为了使ADC可以采样到负电压范围，需要为交流信号添加直流偏置。

      在考虑直流偏置电压与ADC参考电压时，需要将调理后电压的峰峰值纳入考虑范围内。若采用5V作为ADC参考电压，即便是轨到轨运放（AD8542）也只能实现最高4.9V左右的输出，会造成ADC量程的浪费。故在此选用3.3V供电，先将原始信号由1Vpp放大到3.3Vpp，再添加1.65V直流偏置后输入到ADC，这样就能够完整地利用12位ADC的全部动态范围。

      技术指标中要求最小可测量信号幅度为0.1mVpp，故在此要求选择一块高精度运放对小信号进行预处理放大。在选型过程中常用失调电压Vos、失调电流Ios、偏置电流Ib三个指标来衡量运放精密程度，这些指标的示意图如下所示。

• 失调电压Vos：该参数定义运放在输入端接地的时候内部存在的微小电压偏差，该直流电压偏差会直接加载被测信号上一起被放大；

• 偏置电流Ib：定义输出电平固定时，流入运放输入端的电流平均值，对于跨阻放大器的应用将会带来较大偏差；

• 失调电流Ios：定义输出电平固定时，流入运放输入端的电流差值。

      当然对于交流耦合电流而言，上述问题的影响会小很多。但在选型时还应当考虑运放的输出电压范围，譬如对单电源供电的AD8542输出最低电压为25mV（典型值），无法用于小信号的放大。故在此选用双电源供电精密运放OP37进行小信号的放大，其失调电压的典型值仅30uV。

仿真测试

      在设计落地之前进行完善的仿真能够提高设计效率，减小出错概率。本设计使用ADI Ltspice进行瞬态与交流仿真，整体设计的仿真电路图如下所示。

带通滤波

      本设计中带通滤波的下限频率为100Hz，上限频率为16KHz。在设计中我们也将尽量朝着该指标努力，但受限于套件元件类别，本设计的滤波器通带稍有偏移，具体频率计算如下：

      运行交流仿真后的频谱响应展示如下，结论与理论计算相符。

      用ADALM2000的网络分析仪进行扫频，实测结果与理论仍然相符，呈现带通滤波的形状。

      该滤波器的上限频率为16KHz，远低于ADC采样率（96Ksps）的1/2。故该带通滤波器也可作为ADC采集的前端抗混叠滤波器，使得信号在采样时不会发生混叠失真。

大信号放大

      在本设计中采用同向放大器对原始信号进行放大，以实现最大的输入阻抗与最小的输出阻抗。如下图所示，图中同相放大器的输入输出电压满足公式：

      运行交流仿真可以看到信号在中心频率处有接近10dB的电压增益，链路仍展示出带通滤波的特性。

      用示波器观察输入信号与放大后的输出信号波形，可得知原始信号峰峰值为498mVpp，放大后信号峰峰值为1.576Vpp，满足设计要求。

小信号放大

      本节中分别展示AD8542与OP37进行小信号放大的仿真结果，输入信号为0.1mVpp，放大倍数均为101倍。运行瞬态仿真10ms，上图为AD8542仿真结果，下图为OP37仿真结果。可以看到AD8542由于失调电压较大导致其放大后的信号存在较大的直流分量，且放大倍数小于OP37，故在此选用OP37作小信号放大器。

      通过示波器观察放大前后的信号幅值，这里的小信号由ADALM2000产生。由于幅值较小，ADC的量化台阶较为明显，在此仅定性观察放大前后的信号幅值即可。

• 20mVpp信号放大，此时信号源的台阶较为明显，但幅值的放大倍数仍然正确。

• 10mVpp信号放大，此时模拟信号仅有1Bit量化余量，故展示出方波特性。此时示波器通道的电压读数由于噪声叠加使得其不再可信，参考频谱仪的功率数值（40dB左右）可知，信号仍然被正确放大。

电压跟随

      电压跟随器具有最理想的特性，即其输入阻抗无限大，输出阻抗无限小。在设计中添加该器件作为理想信号源与理想负载，可以较好地提高ADC的信号捕获能力。理论上信号经过电压跟随器不会有任何变化，只会带来驱动能力的提升。因此在此直接测试整个模拟链路的幅频特性，该幅频特性由ADALM2000网络分析仪扫频而得。

      由上述幅频特性曲线可知：整个模拟链路的下限频率约为140Hz，上限频率约为16.28KHz，中心频率增益约为10dB，满足设计要求。

总结

      本项目为了实现需求中的技术指标，进行了选型规划、模拟仿真、调试实测等步骤，最终完成了一个能通过多路不同增益放大器实现的较宽范围内的信号调理电路，进而使得ADC能够以最大性能对模拟信号进行采集与换算。在设计的过程中需要重点关注两个小细节，一是对小信号放大运放的选择，二是对直流偏置电压的选择，均需要参考技术手册来谨慎选择以完整发挥ADC的全部性能。