Rutronik GmbH
Avtor:Thomas Bolz
2019_270_19
Običajne topologije analognih predležij so navadno zasnovane za določeno področje uporabe in zato niso prilagodljive. Novi modeli z integrirani programirljivimi ojačevalniki in vmesniki za mikrokrmilnike stavijo na večjo prilagodljivost. Rešitev podjetja JRC je v kombinaciji z mikrokrmilnikom uporabna celo kot cenovno ugodna alternativa osciloskopom za nizkofrekvenčne signale.
Povsod, kjer ojačujemo občutljive analogne signale, na primer iz analognih tipal in jih pretvarjamo v digitalne signale, se uporabljajo analogna predležja (Analog Frontend – AFE). Tukaj predstavljamo analogno predležje, ki v enem gradniku združuje več funkcij: programirljivi instrumentni ojačevalnik z dvema popolnoma diferencialnima vhodoma, pretvornik ADC sigma-delta, digitalni vmesnik za komunikacijo z mikrokrmilnikom in konfiguracijski register.
Analogno predležje z visoko diferencialno in integralno linearnostjo omogoča obdelavo skoraj vsakega analognega signala velikostnega razreda od μV do mV z dobrim razmerjem signal-šum (SNR) in majhnim popačenjem, tako da je idealno za načine uporabe z vgrajenimi (Embedded) napravami in internetom stvari (IoT), na primer tipala tlaka ali diagnostiko baterij.
Zahteve za topologijo analognega predležja
Operacijski ojačevalniki, ki jih uporabljamo v analognih predležjih, morajo vedno imeti naslednje parametre:
- Nizko napetost odmika (offset). Napetost odmika in njeno lezenje namreč ojačujeta nelinearne napake na izhodu operacijskega ojačevalnika, kar popači ojačeni signal.
- Nizko napetost šuma. Napetost šuma na Hertz je odvisna od pasovne širine signala (nV/koren(Hz)) in se ojači skupaj s signalom.
- Visoko dušenje sofaznih signalov (CMRR – Common Mode Rejection Ratio) duši motilne električne signale, ki se hkrati pojavljajo na obeh signalnih vhodih operacijskega ojačevalnika, tako da ne vplivajo na izmerjeni signal.
- Napetostno območje od ozemljitve do napajalne napetosti (Rail to Rail) na vhodu in izhodu (RRIO – Rail to Rail Input and Output) je še zlasti pomembno pri vezjih z nizkimi napajalnimi napetostmi, kjer tako dobimo najboljši možni odmik od motilnih napetosti ter lahko brez napak obdelujemo vhodne signale tudi v bližini ničelne in napajalne napetosti.
Načeloma ločimo med tremi topologijami operacijskih ojačevalnikov:
- Najpreprostejši je neinvertirajoči ojačevalnik. Preprosta zgradba pomeni, da ne zahteva veliko delov, ob tem pa ima tudi nizko porabo. Njegova slabost je v tem, da se skupaj z uporabnim signalom na vhodu operacijskega ojačevalnika ojačijo tudi sofazni signali in šum. V industriji so lahko motnje in šum tako močni, da prevladajo nad uporabnim signalom. Zaradi tega je priporočljiva uporaba filtra, ki duši signale, ki so hkrati prisotni na obeh vhodih operacijskega ojačevalnika.
- Diferencialni ojačevalnik ojačuje le vhodni signal in za razliko od neinvertirajočega ojačevalnika duši sofazne signale. Zaradi diferencialne obdelave signala dosežemo boljše dušenje šuma, vendar pa ni zadovoljivo dušenje sofaznih signalov pri višjih frekvencah. Vezje poleg tega zahteva natančno usklajene upore (toleranca 0,1 % ali boljša). Če ni tako, delujeta vhoda z različnimi ojačanji, kar bistveno poslabša dušenje sofaznih signalov.
- Instrumentacijski ojačevalnik s tremi operacijskimi ojačevalniki odpravlja slabosti omenjenih dveh topologij. Visoke vhodne impedance in dve ojačevalni stopnji zagotavljajo boljše dušenje sofaznih signalov. Žal pa ima slabosti tudi tak sistem:Dodatna poraba energije pomeni, da je neprimeren predvsem za načine uporabe z nizko porabo.
Poleg izbire operacijskih ojačevalnikov in ustrezne topologije je treba določiti tudi porazdelitev ojačevalnih stopenj. Odvisna je od več dejavnikov, ki vključujejo želeni produkt ojačanja in pasovne širine (Gain Bandwidth Product – GBP), ojačanje izhodne napake uporabljenih operacijskih ojačevalnikov ter omejitev vhodnih in izhodnih napetostnih območij prve ter druge stopnje. Če deluje vezje z visokim ojačanjem ali nizko napajalno napetostjo, bo tukaj težko najti dober kompromis.
Digitaliziranje z A/D-pretvorniki
Ko signal tipala ojačimo analogno, ga A/D-pretvornik pretvori v digitalni signal. Njegovo ločljivost je treba izbrati glede na želeno točnost in referenčno napetost. 12-bitni A/D-pretvornik bo na primer imel pri referenčni napetosti 4,096 V ločljivost 1 mV.
Poleg tega moramo upoštevati še Nyquist-Shannonov izrek vzorčenja. Ta pravi, da mora najvišja frekvenca signala znašati manj od polovice frekvence vzorčenja. To pomeni, da je treba vhodnemu signalu omejiti pasovno širino s primernim filtriranjem. Pri kvantizaciji analognih signalov pride poleg tega še do kvantizacijskih napak. Da jih kar najbolj zmanjšamo, je treba izbrati visoko frekvenco vzorčenja. To je zelo pomembno pri A/D-pretvornikih SAR, pretvorniki sigma-delta pa imajo visoko prevzorčenje in zato pri njih to ni kritično.
Integrirane rešitve so pogosto boljša možnost
Pri vseh teh parametrih in pogojih je pogosto bolje, če uporabimo že pripravljene integrirane rešitve. Te namreč ne zagotavljajo le večje točnosti, ampak tudi skrajšajo razvoj in zmanjšajo stroške. Zlasti na področju precizne priprave signalov tipal je takšna rešitev največkrat nujna. Preciznost tukaj pomeni največjo možno linearnost ojačanja, ne glede na faktor ojačanja, delež sofaznih signalov in temperaturo.
Rešitev z integriranim ojačevalnikom s programirljivim ojačanjem (PGA – Programmable Gain Amplifier) je npr. NJU9103 podjetja JRC. To analogno predležje lahko analogne signale ojačuje z ojačanjem do G = 512. Zaradi širokega območja vhodnih napetosti in visoke frekvence vzorčenja omogoča ojačanje ter obdelavo zelo majhnih signalov tipal (μV in mV) pa tudi signalov velikostnega razreda 100 mV, vse do nekaj kHz. S svojimi številnimi možnostmi nastavljanja zagotavlja optimalno ojačanje za tipala tlaka in pretoka, poleg tega pa je primeren tudi za termostate, digitalne prikazovalnike in krmilnike PLC. Poleg širokega območja vhodnih napetosti prispeva k njegovi prilagodljivosti tudi majhno ohišje (DFN8/SSOP8).
Vgrajeni 16-bitni A/D-pretvornik sigma-delta omogoča frekvence vzorčenja od 0,814 kvz/s do 6,5 kvz/s, predležje pa ima en enojni, en diferencialni in en psevdodiferencialni vhod. Velika prednost A/D-pretvornikov sigma-delta je njihova arhitektura s prevzorčenjem (oversampling). To je doseženo z visoko frekvenco vzorčenja stikalnega integratorja (sigma) in frekvenco ure modulatorja, ki imata učinek izredno visokega prevzorčenja. To ima dva učinka:Šum se zato porazdeli po širšem frekvenčnem območju, hkrati pa se lahko izognemo zapletenemu in dragemu filtru za preprečevanje zrcaljenja (anti-aliasing), ki ga navadno zahtevajo A/D-pretvorniki SAR. Zaradi bistveno višje frekvence vzorčenja, kot jo zahteva izrek vzorčenja, običajno zadošča že enopolni nizkopasovni filter. Ti pretvorniki zato dosegajo izredne šumne lastnosti in točnosti.
Ojačevalnik PGA zagotavlja, da je A/D-pretvornik vedno v idealnem dinamičnem območju. Če bi znašalo ojačanje na primer 128 in napetost odmika tipala 10 mV, bi ojačevalnik PGA deloval v nasičenju. To preprečuje notranja referenčna napetost, ki proizvaja kompenzacijsko napetost, ki nasprotuje napetosti odmika tipala. Izhod ojačevalnika PGA je zato vedno znotraj dinamičnega območja. NJU9103 je zato edino analogno predležje, ki je opremljeno s kompenzacijo odmika tipala.
Dodatna prednost je visoka odpornost proti VF-motnjam, ki prepreči večino napak v delovanju zaradi visokofrekvenčnega šuma, na primer zaradi mobilnih telefonov. Poleg tega ponuja naprava še preprosto konfiguriranje in prenos podatkov s hitrostjo nad 1 kvz/s, kar omogoča številne možnosti za obdelavo merilnih signalov višjih frekvenc. NJU9103 je prav tako prvo analogno predležje z ojačevalnikom PGA, ki omogoča ojačanja nad 256 do 512. Trenutne rešitve drugih proizvajalcev dosegajo le faktor 128.
Cenovno ugodna alternativa osciloskopu
Bistvena prednost naprave NJU9103:
- Skupaj z mikrokrmilnikom lahko zamenja osciloskop za nizkofrekvenčne signale
- Preizkusna plošča analognega predležja z mikrokrmilnikom omogoča analize in sintezo signalov z le nekaj pasivnimi komponentami
- Sinusni signal lahko vizualizirate na priključenem prikazovalniku – resnično zanimiv koncept za izredno nizko ceno
Več informacij:
https://www.rutronik.com/processing-analog-signals-with-an-amplification-of-g-512-by-using-a-microcontroller/
