Lors de la conception avec un convertisseur analogique-numérique (ADC), il est facile de croire à tort que la réduction du signal d'entrée pour atteindre la plage pleine échelle de l'ADC entraînera une diminution significative du rapport signal sur bruit (SNR ).
Les concepteurs de systèmes qui doivent faire face à de grandes variations de tension sont particulièrement préoccupés par cela. De plus, par rapport aux CAN alimentés par des tensions plus élevées, les CAN alimentés par des tensions basses (5 V ou moins) sont plus diversifiés.
Une alimentation en tension plus élevée entraîne généralement une plus grande consommation d'énergie et une disposition plus compliquée du circuit imprimé (par exemple, davantage de condensateurs de découplage sont nécessaires).
De nombreux signaux générés par des capteurs ou des systèmes sont des signaux haute tension bipolaires (comme le signal ±10 V largement utilisé). Cependant, il existe de nombreuses façons simples de transmettre ce signal à travers l'ADC ; diverses solutions ADC haute tension intégrées peuvent également être utilisées : il peut gérer ce grand signal d'entrée à pleine échelle sans sacrifier le SNR. Ces solutions nécessitent une tension d'alimentation très élevée pour répondre aux exigences de la plage d'entrée, et leur consommation d'énergie est également assez importante (Figure 1). Ces CAN haute tension réduisent également la sélection de solutions de conditionnement de signal (ampli op). Si le signal doit être multiplexé avec une combinaison d'entrées haute et basse tension, le coût du système augmentera considérablement (Figure 2).
Vous pouvez également utiliser l'amplificateur d'entrée pour mettre le signal à l'échelle afin qu'il corresponde à la plage d'entrée pleine échelle du CAN basse tension. Ce circuit de conditionnement de signal peut être connecté à une entrée multiplexée afin que tous les signaux puissent être en ligne avec la gamme ADC (Figure 3).
Lors de l'utilisation d'un amplificateur pour la mise à l'échelle de la tension du signal, le bruit est référencé à l'entrée de l'amplificateur. À ce stade, il existe deux principales sources de bruit : le bruit de référence d'entrée de l'amplificateur lui-même et le bruit de référence d'entrée réduit du CAN. Ces deux sources de bruit sont combinées dans un terme quadratique. De plus, le bruit de l'amplificateur est également filtré par la bande passante d'entrée du CAN et le filtre anti-aliasing entre l'amplificateur et l'entrée du CAN, voir Figure 4.
Figure 4 : L'amplificateur zoom introduit du bruit, mais le bruit est filtré par le circuit RC et le réseau d'entrée de l'ADC.
La formule de calcul du système SNR (borne d'entrée de l'amplificateur) est :
Où : VnADC est le bruit RMS d'entrée de l'ADC ; VnOPA est le bruit de référence d'entrée de l'amplificateur (X fois la référence d'entrée) = fréquence unipolaire -3dB.
Compte tenu de la plage complète du CAN, du bruit de référence d'entrée du CAN et du facteur d'échelle de l'amplificateur, deux variables affecteront l'objectif de la réduction de la perte SNR : la fréquence de coupure du filtre et le bruit de référence d'entrée de l'amplificateur.
Si la source du signal a des composants basse fréquence, un filtre peut être conçu de manière à ce que l'amplificateur puisse tolérer un bruit d'entrée plus important (un bruit d'entrée plus élevé est généralement lié à une consommation d'énergie et à un coût inférieurs). Si l'ADC limite la bande passante du système, l'amplificateur doit avoir un bruit de référence d'entrée suffisamment faible pour contrôler la perte SNR dans une plage acceptable.
Par exemple, avec un signal d'entrée de ±10 V et un CAN à pleine échelle de 5 VP-P avec un SNR de 92 dB, le facteur d'échelle (le rapport de l'entrée à la plage à pleine échelle) est de 4. Le bruit de référence d'entrée du CAN dans la fiche technique est de 44.4 nV RMS. En supposant que la fréquence de coupure du filtre est de 10 kHz et que le bruit de référence d'entrée de l'amplificateur est de 10 nV/(Hz) 1/2, la perte de SNR est : SNR(loss) = 0.035 dB.
S'il n'y a pas de filtre et que la bande passante du CAN est supposée être de 10 MHz, afin d'obtenir la même perte SNR, le bruit de référence d'entrée requis devient 0.3nV/(Hz) 1/2. Cette exigence est très stricte.
Pour un CAN avec la même bande passante de 10MHz, si SNR(loss)=0.5dB est autorisé, l'exigence de bruit de l'amplificateur est de 4nV/(Hz) 1/2, ce qui est relativement facile à mettre en œuvre.
Par conséquent, si la bande passante du système et la perte SNR admissible sont données, l'ajout d'un amplificateur proportionnel pour convertir le signal haute tension en un CAN basse tension dans la plage pleine échelle sera une solution tout à fait réalisable. Lors de l'alimentation de plusieurs signaux avec différentes amplitudes d'oscillation à un CAN multiplexé basse tension, cette solution permet d'obtenir un système rentable.
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