在任何設計中，信號鏈精度分析都可能是一項非常重要的任務，必須充分了解。在本系列的第二部分中，我們討論了在整個信號鏈累積起來并且最終會影響到轉換器的多種誤差。請記住，轉換器是信號鏈的瓶頸，最終決定著信號的表示精度。因此，轉換器的選擇是設定系統(tǒng)整體要求的關鍵。在本文中，我們將以上述認識為基礎，重點分析可能在給定信號鏈中累積的直流誤差的類型。

在信號鏈中，可能會累積的誤差有兩類——即直流和交流誤差。直流或靜態(tài)誤差(如增益和失調(diào)誤差)有助于了解信號鏈的精度或靈敏度。交流類誤差也稱為噪聲和失真，限制著系統(tǒng)的性能和動態(tài)范圍。這兩類誤差都需要了解，因為二者最終決定著系統(tǒng)的分辨率。

本文將專門分析直流誤差，根據(jù)其與無源和有源器件的關系，對每種不精確性進行細分。同時還將制作一份矩陣或電子表格，用以展示如何用不同的方法在信號中添加或累積誤差。

若要了解交流誤差，請看參考文獻10和11。在此，通過回顧有關噪聲的基本知識(如帶寬總和、從交流角度看誤差累積等)，可以確定模擬信號鏈設計的總信噪比。

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圖1. 此簡單數(shù)據(jù)采集信號鏈系統(tǒng)的設計精度為0.1%

信號鏈知識回顧

在第二部分里，我們的目標是設計出一種可以達到0.1%精度要求的簡單數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖1)。即是說，每輸入1 V的電壓，輸出要么為0.99388 V，要么為1.00612 V。因此，轉換器規(guī)定的動態(tài)范圍為60 dB或9.67 ENOB，假設其滿量程電壓為10 V。轉換器有兩個放大器級、一個多路復用器和一個模數(shù)轉換器(ADC)。本分析將忽略傳感器、電纜、連接器、印刷電路板(PCB)寄生電容和任何外部影響/誤差，因為這些情況在很大程度上取決于設計人員要測量的具體應用或信號。

為了給各誤差提供參考，應將分析的各級細分成各個部分。數(shù)據(jù)采集信號鏈的第一級是一個簡單的差分放大器(圖2)。該放大器的增益為4×，輸入阻抗為500 Ω。設置電容是為了進行可選的濾波處理。

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圖2. 差分放大器為數(shù)據(jù)采集信號鏈的第一級

然后，將放大器的輸出信號施加到多路復用器的8個輸入端(圖3)。每個輸入以一個阻尼電阻(RO)進行緩沖，以減少多路復用器通道切換導致的電荷反沖。根據(jù)多路復用器數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的技術規(guī)格，每個通道的內(nèi)部會設有一些寄生電容或額定RO。

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圖3. 此8:1多路復用器有8個緩沖輸入。

然后，將結果形成的通道信號施加到單位增益緩沖級放大器(圖4)。使用電阻是為了減少輸入偏置電流不平衡。

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圖4. 將一個通道信號施加到這類緩沖放大器

將經(jīng)過緩沖的信號施加到12位、1 MSPS ADC，在此，信號最終進入數(shù)字域(圖5)。使用串行電阻是為了緩沖或抑制放大器與轉換器之間的信號，加大這兩個器件之間的電阻。結果會減少從轉換器反沖到放大器的電荷，非常像多路復用器。這也有助于放大器輸出建立，并防止其發(fā)生振蕩。

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圖5. 信號緩沖后將被施加到12位、1 MSPS ADC

電容提供了一個簡單的低通抗混疊濾波器(AAF)，用以衰減目標頻帶之外的信號和噪聲。AAF的設計在很大程度上取決于系統(tǒng)的設計和應用。最后，上拉和下拉二極管可增添輸入保護功能，可防止有可能被施加到轉換器輸入端的極端過載信號導致的任何故障狀況。