3 系统设计原理

前端是数字万用表以及许多数据采集系统的关键构建块。数字万用表可在多种量程范围内进行测量。具有各个范围的单个增益电阻器的开关矩阵会占用大量空间，尤其是在多通道数据采集系统中。

PGA855 增益设置可实现宽输入范围，并由三个数字信号控制，从而更轻松地在增益之间切换。DMM 具有多个不同的输入范围，例如 100mV、1V、10V 和 100V。因此，当可以使用一个输入级处理多个输入范围时，设计会得到简化。PGA855 增益由 3 条数字线路控制，因此使用微控制器或处理器时，在增益级之间切换相对容易。

该放大器必须能够准确地将信号缩放到数据转换器的满标量程，而不影响数据转换器的分辨率。准确度和精度是任何 DMM 设计的关键因素。仪表的读数需要接近真实值并且可重复。大多数初始直流误差可以相对轻松地进行校准，但非线性度、漂移和噪声必须很低，才能实现高精度和准确度。

本设计中可加入针对高压输入的额外输入调节以及输入保护功能，从而完全完成模拟前端信号链。

图 3-1 PGA 和 ADC 输入滤波器

PGA 输入端的 R-C-R 差分低通滤波器（如图 3-1 所示）有助于降低 EMI/RFI 高频外部噪声。此滤波器可根据带宽和应用要求进行定制。为差分电容器 C_{IN_DIFF} 与共模电容器 C_{IN_CM} 使用 10:1 的电容器比值可提供良好的差分和共模噪声抑制。另外，此比值也往往对滤波电容器的容差变化和失配不太敏感。

反馈电容器 C_FB 与 PGA855 输出级内部 5kΩ 反馈电阻并联（请参阅图 2-1），旨在实施额外的噪声滤波。内部电阻的绝对电阻变化为 ±15%，在实施噪声滤波时必须考虑到这一变化。在该电路板上，C_FB 设置为 25pF，可提供 1MHz 的典型 f–3dB 转角频率。在考虑到反馈电阻变化的情况下，该电路的估计最小 f–3dB 转角频率范围约为 904kHz 到 1.119MHz。ADS127Lx1 输入端的滤波器用作电荷库以过滤 ADC 的采样输入。电荷库减少了放大器的瞬时电荷需求，保持了低失真和低增益误差，否则会因放大器未完全稳定而降低性能。ADC 输入预充电缓冲器可显著降低输入电荷，从而提高 ADC 输入阻抗以减小增益误差。