3 システム設計理論

フロント エンドは、デジタル マルチメータや多くのデータ アクイジション システムの重要なビルディング ブロックです。デジタル マルチメータは、幅広い範囲の測定を行います。範囲ごとに個別のゲイン抵抗を持つスイッチング マトリクスは、特にマルチチャネル データ アクイジション システムの場合、多くのスペースを占有する可能性があります。

PGA855 のゲイン設定では広い入力範囲が可能で、 3 つのデジタル信号で制御されるため、ゲインを簡単に切り替えることができます。DMM には 100mV、1V、10V、100V など複数の異なる入力範囲があり、1 つの入力段で複数の入力範囲に対応できるので、設計を簡素化できます。PGA855 のゲインは 3 本のデジタル ラインで制御されるため、マイコンやまたはプロセッサを使用するとき、ゲイン段の切り替えが比較的簡単です。

アンプは、データ コンバータの分解能を犠牲にせず、データ コンバータのフルスケール範囲まで信号を正確にスケーリングできる必要があります。精度と正確さは、あらゆる DMM 設計に重要です。メーターの読み取り値は、実際の値に近く、再現可能な必要があります。ほとんどの初期 DC 誤差は比較的簡単にキャリブレーションできますが、精度と正確性を高めるには、非線形性、ドリフト、ノイズが低いことが必要です。

この設計に、高電圧入力用の追加の入力スケーリングを追加し、さらに入力保護を追加すると、アナログ フロントエンド シグナル チェーンが完成します。

図 3-1 PGA および ADC 入力フィルタ

図 3-1 に示すように、PGA の入力に R-C-R 差動ローパス フィルタを配置するは、EMI/RFI 高周波数の固有ノイズを低減できます。このフィルタは、帯域幅とアプリケーションの要件に応じてカスタマイズできます。同相コンデンサ C_{IN_CM} に対して、差動コンデンサ C_{IN_DIFF} を 10：1 の比率で使用すると、優れた差動および同相ノイズ除去が得られます。また、この比率は、フィルタ コンデンサの許容誤差の変動や不一致の影響を受けにくくなる傾向があります。

帰還コンデンサ C_FB は、PGA855 出力段の内部 5kΩ 帰還抵抗と並列に接続され (図 2-1 を参照)、追加のノイズ フィルタリングを実装しています。内部抵抗の絶対抵抗の変動は ±15% なので、ノイズ フィルタリングを実装するときはこの変動を考慮する必要があります。この基板では、C_FB が 25pF に設定され、標準的な f-3dB コーナー周波数である 1MHz を実現しています。この回路の推定最小 f-3dB コーナー周波数は、帰還抵抗の変動を考慮して、約 904kHz～1.119MHz の範囲です。ADS127Lx1 の入力にあるフィルタは、ADC のサンプリングされた入力をフィルタ処理するため電荷を蓄積します。電荷を蓄積することで、アンプの瞬間的な電荷要求が低減され、低い歪みとゲイン誤差が維持されます。電荷の蓄積がないと、アンプのセトリングが不十分なために歪みやゲイン誤差が劣化することがあります。ADC 入力のプリチャージ バッファは、入力電荷を大幅に低減し、ADC の入力インピーダンスを上昇させて、ゲイン誤差を低減します。