DigiKey
Avtor: Rolf Horn
S selitvijo inteligence na rob z namenom reševanja novih in zapletenih problemov postaja vse bolj pomembno zagotoviti zanesljivost, natančnost in zmogljivost pridobivanja podatkov (DAQ).
To zahteva, da razvijalci zagotovijo izolirano, natančno signalno verigo med pridobljenim signalom in sistemskim procesorjem.
Zagotavljanje izolacije v natančni analogno-signalni merilni verigi je zahtevna naloga. Da bi ohranili zmogljivost signalne verige kljub dejavnikom, ki motijo signal, in neizogibnemu odstopanju temperature, je treba biti pozoren na podrobnosti. Za mnoge razvijalce je lahko koristno, da pred izbiro in uporabo ustrezne tehnologije izolacije bolje razumejo zadevna vprašanja.
Ta članek obravnava različna vprašanja, povezana z razvojem in optimizacijo vrhunskega izoliranega DAQ sistema, pri čemer oznaka „vrhunski“ vključuje lastnosti natančnosti, točnosti, celovitosti signala in doslednosti. Nato predstavi rešitve signalnih DAQ verig podjetja Analog Devices in pokaže, kako jih je mogoče uporabiti za oblikovanje takega sistema.
Optimizacija posameznega funkcionalnega bloka
Tipičen DAQ sistem je sestavljen iz vrste funkcionalnih blokov, ki omogočajo prenos signala iz fizičnega sistema skozi senzor. Od tam potuje do analognega vhodnega dela (AFE) za oblikovanje signala, analogno-digitalnega pretvornika (ADC) za digitalizacijo in nato do računalniškega odčitavanja ali krmilnika (ki lahko obsega vse od mikrokontrolerja do veliko večjega sistema (slika 1).
Doseganje natančnosti in točnosti DAQ sistema se začne z izbiro komponent za oblikovanje signala na vhodni strani, zlasti predojačevalnika pretvornika. Nizka raven šuma je eden od številnih kritičnih dejavnikov za to funkcijo, saj je notranji šum pozneje pri oblikovanju težko zmanjšati in bo ojačan skupaj z želenim signalom. Tu se določi osnovno razmerje med signalom in šumom (SNR), ki se bo ob prehodu signala skozi dodatne stopnje neizogibno še poslabšalo.
Prav zaradi tega AFE pogosto uporabljajo enofunkcijski operacijski ojačevalnik, optimiziran za šum (operacijski ojačevalnik). Dobra izbira za vhodni predojačevalnik je naprava ADA4627-1BRZ-R7 podjetja Analog Devices, 30-voltni (±15-voltno dvojno napajanje) JFET operacijski ojačevalnik z visoko hitrostjo, nizkih šumom in nizkim mirovnim tokom. Med številnimi specifikacijami, ki so optimizirane za senzorje, ga odlikujejo majhen odmik napetosti 200 mikrovoltov (μV) (največ), odstopanje odmika 1 μV/°C (tipično) in vhodni mirovni tok 5 pikoamperov (pA) (največ). Specifikacija kritičnega napetostnega šuma je 6,1 nanovolta na koren herca (nV/√Hz) pri 1 kilohercu (kHz) (slika 2).
Izolacija prinaša številne prednosti
Ko je signal ojačan in digitaliziran, je naslednji korak vzpostavitev galvanske izolacije med signalom in digitalnim delom sistema ter pripadajočim procesorjem. Za ta korak obstajajo trije glavni razlogi:
Zmanjšanje šumov in motenj: z galvansko izolacijo je mogoče odpraviti nihanje napetosti v splošnem režimu, ozemljitvene zanke in elektromagnetne motnje (EMI). Prav tako preprečuje, da bi zunanji viri šuma kvarili pridobljeni signal, kar zagotavlja bolj jasne in natančne meritve.
Odprava ozemljitvene zanke: ozemljitvene zanke lahko povzročijo napetostne razlike, ki popačijo izmerjeni signal. Izolacija prekine pot ozemljitvene zanke in tako odstrani motnje, ki jih povzročajo razlike ozemljitvenih potencialov, ter izboljša natančnost meritev.
Varnost in zaščita: izolacijske pregrade zagotavljajo električno varnost, saj preprečujejo, da bi nevarni skoki napetosti, prehodni pojavi ali prenapetosti prišli do občutljivih merilnih komponent. To ščiti merilno vezje in priključene naprave ter zagotavlja varno in zanesljivo delovanje. Poleg tega takšne pregrade odpravljajo električno nevarnost za uporabnike, če se senzor nizke ravni vsaj za kratek čas dotakne visokonapetostnega ali izmeničnega toka.
Za izolacijo digitalnih signalov je na voljo več tehnik, ki temeljijo na magnetnih, optičnih, kapacitivnih in celo RF načelih. Analog Devices ponuja družino visoko zmogljivih rešitev, vključno z 5-kanalnim digitalnim izolatorjem ADUM152N1BRZ-RL7, ki temelji na lastni tehnologiji i Coupler (slika 3).
Ti izolatorji združujejo CMOS vezje visoke hitrosti in tehnologijo monolitnega transformatorja z zračnim jedrom. Da bi zagotovili zmogljivost, sorazmerno s potrebami hitrih digitalnih povezav, je največja zakasnitev širjenja 13 nanosekund (ns) s popačenjem širine impulza manj kot 4,5 ns pri 5 voltih, ujemanje zakasnitve širjenja med kanali pa je zelo natančno pri 4,0 ns (največ). Na voljo je podobna 2-kanalna različica, ADUM120N1BRZ-RL7, tako da je skupno število izoliranih kanalov mogoče uskladiti s širino vodila.
Ti izolatorji so optimizirani za delovanje pri visokih hitrostih z zagotovljeno hitrostjo prenosa podatkov 150 megabitov na sekundo (Mbits/s). Ponujajo visoko odpornost na prehodne pojave v splošnem režimu (CMTI) 100 kilovoltov na mikrosekundo (kV/μs), odpornost na napetosti 3 kV s srednjo kvadratno vrednostjo (rms) in izpolnjujejo vse ustrezne zakonske zahteve.
Izolacija signalov je zgolj del celotne strategije izolacije. Izolirani morajo biti tudi vsa enosmerna napajalna vodila DAQ sistema. To se najpogosteje doseže z uporabo transformatorja kot izolacijskega elementa.
Če je primarni vir napajanja že izmenični tok, preide skozi transformator, nato pa je usmerjen in reguliran; če je vir napajanja enosmerna napetost, jo je treba najprej razsmeriti v valovno obliko, podobno izmenični napetosti. To je zelo poenostavljeno z uporabo komponent, kot je LT3999, DC/DC gonilnik z nizkim šumom, 1 amper (A), 50 kHz do 1 megaherca (MHz).
Celoten visoko zmogljiv DAQ sistem zahteva dodatne temeljne in periferne komponente. Njihova zasnova in postavitev morata zagotavljati natančno merjenje in celovitost podatkov. Poleg ojačevalnikov in izolacijskih pregrad, veriga natančnih signalov običajno vključuje tudi filtrirne elemente, ADC visoke ločljivosti in stikala. S kombinacijo teh komponent se odpravi šum, zmanjšajo motnje in zagotovi natančna predstavitev signala.
Združevanje vseh elementov
Primer izolirane signalne verige z uporabo teh ključnih komponent je ADSKPMB10-EV-FMCZ, natančna platforma, ki vključuje 1-kanalni, popolnoma izoliran DAQ sistem z nizko zakasnitvijo (slika 4). Ta rešitev združuje instrumentalni ojačevalnik s programirljivim ojačenjem (PGIA) za oblikovanje signala, da se prilagodi občutljivosti različnih senzorskih vmesnikov, z digitalno in napajalno izolacijo znotraj kompaktne plošče.
Pri vrednotenju je ta konfigurirana kot rešitev z več ploščami, ki jo sestavlja ADSKPMB10-EV-FMCZ v obliki PMOD (slika 5) skupaj z vmesniško ploščo EVAL-SDP-CH1Z System Demonstration Platform (SDP).Med tema dvema ploščama je popolnoma izolirana vmesna plošča PMOD-FMC.
ADSKPMB10-EV-FMCZ ima diskretno PGIA, ki je zgrajena z uporabo operacijskega ojačevalnika ADA4627-1. PGIA ima visoko vhodno impedanco, ki je potrebna za neposredno povezovanje z različnimi senzorji. Modul ima tudi natančno mrežo s štirimi ujemajočimi se upori za nastavitev ojačenja, 4-kanalni multiplekser in gonilnik ADC s popolnoma diferencialnim ojačevalnikom za ADAQ4003. ADAQ4003 je 18-bitni ADC z 2 mega vzorcema na sekundo (MSPS) in podsistem DAQ, izveden kot μModule.
Ta modul predstavlja več kot le ADC visoke ločljivosti. V ADAQ4003 je vgrajenih več tehnik za zmanjševanje šumov, ki omogočajo zajemanje signalov z visoko verodostojnostjo. Na primer, med izhodom gonilnika ADC in vhodi ADC znotraj modula μModule je nameščen enopolni nizkoprepustni uporno-kondenzatorski (RC) filter, ki odpravlja visokofrekvenčni šum in zmanjšuje „povratni“ tok naboja z vhoda notranjega ADC.
Poleg tega postavitev modula μModule zagotavlja, da so analogne in digitalne poti ločene, da se prepreči križanje in zmanjša oddajanje šuma.
Popolnoma izolirana vmesna plošča PMOD-FMC vključuje gonilnik LT3999 DC/DC, 5- in 2-kanalne digitalne izolatorje, regulator (LDO) z nizkim šumom in regulator LDO z zelo nizkim šumom. Plošča vmesnika deluje kot most in je povezana z vmesniško ploščo SDP.
Vmesniška plošča SDP opravlja obdelavo, upravljanje in povezljivost po zajemanju signala. Ta plošča ima 160-pinski priključek FMC, 12-voltno enosmerno napajanje (VDC), ki je dodatno regulirano in razdeljeno za druge plošče, procesor Blackfin s programsko podprto varnostjo za zaščito kode in vsebine, vrata USB in FPGA Spartan-6.
Dokaz za to je uspešnost
Ocenjevanje učinkovitosti natančnosti DAQ sistema ni nepomemben postopek, saj so ključnega pomena uporaba inštrumentov, preskusna ureditev in metrike. Čeprav so številni dinamični parametri povezani z zmogljivostjo DAQ sistemov, so najbolj razvidni dinamično območje, razmerje med signalom in šumom (SNR) ter skupno harmonsko popačenje (THD).
Dinamični območje je razpon med najnižjim pragom šuma naprave in njeno določeno najvišjo izhodno ravnjo.
Tipično dinamično območje te zasnove, ki znaša 93 decibelov (dB) pri najvišji nastavitvi ojačenja in 100 dB pri najnižji nastavitvi ojačenja, je impresivno (Slika 6). Povečanje razmerja preseženega vzorčenja na faktor 1024× še dodatno izboljša meritve, tako da dosežejo največ 123 dB oziroma 130 dB.
SNR je razmerje med efektivno amplitudo signala in srednjo vrednostjo kvadratne vsote (RSS) vseh drugih spektralnih komponent, razen harmoničnih in enosmernih. THD je razmerje med efektivno vrednostjo osnovnega signala in srednjo vrednostjo RSS njegovih harmoničnih signalov.
SNR in THD pri tej zasnovi sta očitno visoko zmogljiva, saj signalna veriga doseže največji SNR 98 dB (slika 7 (levo)) in THD–118 dB (slika 7 (desno)), odvisno od nastavitev ojačenja.
Zaključek
Zasnova in izvedba izolirane, natančne signalne verige, ki ohranja natančnost, zmanjšuje šum in motnje ter zagotavlja celovitost podatkov, je pomemben projektantski in izvedbeni podvig. To je mogoče doseči s preudarno uporabo natančnega ojačenja, izolacijskih tehnik, visoko ločljivih ADC modulov ter upravljanja energije z nizkim šumom, kar omogoča natančne meritve tudi v električno zahtevnih okoljih. To je mogoče z uporabo naprednih komponent podjetja Analog Devices, od osnovnih ojačevalnikov do naprednih izolacijskih naprav, ki jih podpirajo potrebne periferne funkcije, skupaj s podrobnimi podatkovnimi listi in navodili za uporabo.