|
作者：Lloben Paculanan，產(chǎn)品應用工程師 Chelsea Faye Aure，產(chǎn)品應用工程師 Jan Michael Gonzales，產(chǎn)品應用工程師 ADI公司 摘要 本文探討了隔離式精密信號鏈的參考設計解決方案，以及其在數據采集應用中對保持準確度和提高可靠性的重要作用。 簡(jiǎn)介 數字時(shí)代改變了解決問(wèn)題的范式，將智能引入邊緣可以應對全新的復雜挑戰。數據采集(DAQ)系統成為了邊緣智能的核心。在數據采集領(lǐng)域，準確度和可靠性至關(guān)重要。為確保達到高準確度和完整性，隔離式精密信號鏈的重要性不容忽視。 了解隔離式精密信號鏈 隔離式精密信號鏈指的是一種旨在精密準確地采集和處理信號，同時(shí)與周?chē)h(huán)境保持電氣隔離的系統或電路。隔離通常是一系列信號調理級的一部分，主要有兩個(gè)作用：確保安全性和數據完整性1。隔離還具有以下優(yōu)點(diǎn)： ► 減少噪聲和干擾：信號鏈通過(guò)采用隔離技術(shù)（例如使用變壓器或光耦合器的電氣隔離），可以消除共模電壓變化、接地環(huán)路和電磁干擾(EMI)。這種隔離能夠防止外部噪聲源破壞采集的信號，確保測量結果更干凈、更準確。 ► 消除接地環(huán)路：接地環(huán)路可能會(huì )引入電壓差，使測量信號失真。隔離技術(shù)能夠斷開(kāi)接地環(huán)路，有效消除地電位變化引起的干擾，從而提高測量準確度。 ► 安全和保護：隔離柵能夠防止危險的電壓尖峰、瞬變或浪涌到達敏感的測量元器件，從而確保電氣安全。這能夠保護測量電路和相連器件，進(jìn)而讓系統安全可靠地運行。除了電路保護之外，隔離還有助于保護在系統上工作的最終用戶(hù)和設計人員，避免其遭遇電氣危險。 此外，隔離式精密信號鏈由一系列元器件和技術(shù)組成，它們協(xié)同工作以確保精確測量和數據完整性。隔離式精密信號鏈的關(guān)鍵元器件通常包括：精密放大器、隔離柵、濾波元件和高分辨率模數轉換器(ADC)。這些元器件協(xié)同工作，以消除噪聲、有效減少干擾并提供準確的表現信號。圖1為采用這些關(guān)鍵元器件的隔離式精密信號鏈的示例。該精密平臺是一個(gè)單通道、完全隔離、低延遲的數據采集系統。此解決方案將PGIA信號調理、數字和電源隔離集成到了一個(gè)緊湊的電路板內。接下來(lái)的內容將詳細討論每個(gè)模塊，包括其相應的性能以及與非隔離模塊相比的優(yōu)勢。 數據和電源隔離 Pmod至FMC轉接板裝有數據隔離器、穩壓器和變壓器，用以實(shí)現電氣隔離。電氣隔離是一種分離電路以消除雜散電流的設計技術(shù)，有助于在電氣隔離的電路之間傳遞信號，并阻擋雜散電流（例如由地電位差或交流電源引入的電流）2。 
圖1.單通道、完全隔離、低延遲數據采集系統ADSKPMB10-EV-FMCZ的簡(jiǎn)化框圖 首先，通過(guò)ADuM152N和ADuM120N 3 kV rms數據隔離器實(shí)現數據隔離。這些數據隔離器的共模瞬變抗擾度(CMTI)較高，對輻射和傳導噪聲具有很強的抗干擾能力，同時(shí)傳輸延遲和動(dòng)態(tài)功耗均很低。這些隔離器件不僅易于使用，而且與光耦合器等典型替代品相比，還具有優(yōu)越的性能特性。具體來(lái)說(shuō)，最大傳輸延遲為13 ns，脈沖寬度失真小于5 ns。這兩款器件的通道間傳輸延遲匹配非常嚴格，最大值分別為4.0 ns和3.0 ns。 其次，隔離式精密信號鏈需要一套滿(mǎn)足信號鏈要求的隔離電源電路。隔離電源電路不應影響精密信號鏈的性能。設計時(shí)必須確保電源電路輻射很低，同時(shí)還要高效，并且符合安全要求。 LT3999低噪聲推挽式DC-DC驅動(dòng)器是用于電源隔離的不錯之選，其中內置限流值可編程的1 A雙通道開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率可在50 kHz至1 MHz范圍內調節（也可同步至外部時(shí)鐘），工作輸入范圍為2.7 V至36 V，關(guān)斷電流小于1 μA。推挽拓撲結構易于設計和實(shí)施，僅使用少量元件，并且得益于其固有的對稱(chēng)拓撲結構，工作時(shí)的電磁輻射騷擾非常低。 如圖2所示，參考平臺上的電源電路設計，使得FMC連接器的12 V電壓可以作為數據采集板所需的電源，同時(shí)實(shí)現隔離。為了實(shí)現這些目標，電路上的LT3999驅動(dòng)脈沖電子PH9085.083NL 2.5 kV rms隔離電源變壓器。
圖2.參考平臺隔離電源電路框圖 LT3999電源轉換器產(chǎn)生未經(jīng)穩壓處理的輸出電壓。該輸出電壓隨著(zhù)負載的增加而下降，如圖3所示。
圖3.LT3999推挽轉換器輸出電壓調節 參考平臺可選配一個(gè)低壓差后級線(xiàn)性穩壓器(ADP7105)，以便在需要時(shí)提供穩定的3.3 V輸出。因此，通過(guò)轉接板對整個(gè)測量或數據采集電路進(jìn)行電氣隔離，可以有效降低共模電壓變化和外部噪聲源的影響。這證明，該方法是一種準確、經(jīng)濟、高效的測量電路隔離方法3。
圖4.精密中等帶寬信號鏈 保持準確度 除了實(shí)施隔離技術(shù)外，信號鏈內部的模塊也必須嚴格匹配。每個(gè)元器件都會(huì )影響整個(gè)信號鏈的性能，這對于保持整個(gè)系統的準確度至關(guān)重要。 精密放大器兼具高準確度、低噪聲和低失調電壓等特點(diǎn)，能夠提供精確的信號調理和放大功能，確保真實(shí)地呈現所采集的信號，而不會(huì )引入額外的失真或偏移。此外，通常還會(huì )采用低通濾波器等濾波元件來(lái)衰減高頻噪聲和不需要的信號，只允許所需的信號通過(guò)信號鏈。這進(jìn)一步提高了測量信號的準確度和完整性。最后，使用高分辨率ADC將模擬信號轉換為數字格式，以供進(jìn)一步處理或分析。這些ADC具有高采樣速率和出色的分辨率，能夠對模擬信號進(jìn)行精確的數字化處理。所有這些元器件都經(jīng)過(guò)了精心挑選，旨在實(shí)現參考平臺所需的性能。 具體來(lái)說(shuō)，參考平臺內的數據采集板展示了一種由多個(gè)器件組成的分立式可編程增益儀表放大器(PGIA)，包括： ► ADA4627-1：高速、低噪聲、低偏置電流、JFET運算放大器 ► LT5400：精密四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò ) ► ADG1209：低電容、4通道、±15 V/+12 V iCMOS®多路復用器 ► ADAQ4003的內部全差分放大器(FDA) ADC驅動(dòng)器 前端的PGIA提供高輸入阻抗，從而支持與各種傳感器直接連接。為使電路適應不同的輸入信號幅度（單極性或雙極性和單端或差分信號，具有可變共模電壓），通常需要可編程增益。PGIA與18位、2 MSPS、μModule®數據采集解決方案ADAQ4003配合使用。圖4為該參考平臺的整個(gè)信號鏈。 為了驗證參考平臺的靜態(tài)性能，我們分別測量了積分非線(xiàn)性(INL)和差分非線(xiàn)性(DNL)。圖5和圖6為不同增益下DNL和INL誤差與代碼的關(guān)系。DNL誤差的典型偏差為±0.6 LSB，這意味著(zhù)無(wú)失碼的單調轉換函數。同時(shí)，INL誤差的典型偏差為±2.097 LSB，呈現明顯的S形，表明奇次諧波占絕對主導地位4。這些圖形表明，整個(gè)信號鏈具有了足夠高的線(xiàn)性度。
圖5.不同增益下DNL與代碼的關(guān)系，VREF = 5 V
圖6.不同增益下INL與代碼的關(guān)系，VREF = 5 V 在信號鏈中采用精密放大器、信號調理技術(shù)和高分辨率ADC，能夠有效降低信號失真、偏移和非線(xiàn)性，從而實(shí)現高準確度測量。前面討論的電氣隔離技術(shù)進(jìn)一步降低了共模電壓變化，并消除了接地環(huán)路效應，從而確保測量信號的準確性。 盡量減少噪聲和干擾 來(lái)自元器件或外部的噪聲和干擾也是數據采集中常見(jiàn)的挑戰。隔離式精密信號鏈通過(guò)采用穩健的隔離柵、屏蔽、接地和濾波技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。μModule ADAQ4003本身采用了降噪技術(shù)，支持高保真信號捕獲。 具體來(lái)說(shuō)，μModule器件內部的ADC驅動(dòng)器輸出和ADC輸入之間放置了一個(gè)單極點(diǎn)低通RC濾波器，其用途如下：(1)消除高頻噪聲；(2)減少來(lái)自?xún)炔縎AR ADC輸入的電荷反沖；(3)盡可能提高建立時(shí)間和輸入信號帶寬5。μModule器件的布局還確保了模擬和數字路徑分離，從而避免這些信號交越，減輕輻射噪聲。 許多動(dòng)態(tài)參數都會(huì )影響到特定數據采集系統的性能，本文僅討論其中三個(gè)。
圖7.動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍是指器件本底噪聲與其額定最大輸出水平之間的范圍6，對于確定不受噪聲影響的最小電壓增量至關(guān)重要。該參數使用5 V基準電壓進(jìn)行測試，輸入短接到地，輸出數據速率為2 MSPS。圖7為不同增益下的動(dòng)態(tài)范圍，最高增益設置下的典型值為93 dB；最低增益設置下的典型值為100 dB。將過(guò)采樣率增加到1024倍可進(jìn)一步改善測量結果，最大值分別達到123 dB和130 dB。
使用式1中的公式求解折合到輸出端的等效總噪聲，結果低至1.12 μV rms（OSR = 1024×，最低增益設置）。因此，動(dòng)態(tài)范圍測量結果較大，意味著(zhù)整體系統噪聲較低。 類(lèi)似地，在器件的反相和同相輸入端施加-0.5 dBFS正弦信號，測量信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等參數。首先，SNR是指均方根信號幅度與所有其他頻譜分量（不包括諧波和直流）的和方根(rss)平均值之比7。式2有助于更好地理解此參數。
另一方面，總諧波失真是指基波信號的均方根值與其諧波（一般僅前五次諧波比較重要）的和方根平均值之比7，如式3所示。
圖8.SNR
圖9.THD 圖8和圖9顯示了不同增益設置下的SNR和THD值。整個(gè)信號鏈實(shí)現了最大98 dB的SNR和-118 dB的THD。不過(guò)，這些參數在高輸入頻率和高增益設置下會(huì )變差。圖10也顯示了一個(gè)FFT示例。隔離信號鏈的本底噪聲平坦，約為滿(mǎn)量程以下140 dB，雜散信號埋在其下方。這表明，與等效的非隔離信號鏈相比，隔離信號鏈實(shí)現了一致的信號完整性和噪聲性能。
圖10.單次捕獲FFT，全差分輸入，-0.5 dBFS，1 kHz正弦波 應用和影響 隔離式精密信號鏈的影響遍及各行各業(yè)和各種應用。在物理、化學(xué)和生物等領(lǐng)域的科學(xué)研究中，準確度和可重復性的要求非常高，而隔離式精密信號鏈有助于實(shí)現精確測量。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，它能夠確保過(guò)程控制、質(zhì)量監測和設備診斷準確無(wú)誤。在醫療應用方面，它支持精確監測生理信號并進(jìn)行準確診斷。其影響還延伸到了環(huán)境監測、能源管理和電信等領(lǐng)域，因為可靠的數據采集對于該領(lǐng)域的決策和優(yōu)化至關(guān)重要。 浮動(dòng)DAQ系統 浮動(dòng)DAQ系統非常適合用于電子測試和測量(ETM)應用。常見(jiàn)的電壓測量涉及兩個(gè)基準點(diǎn)：高電位和低電位/零電位（稱(chēng)為接地）。然而，使用接地作為基準會(huì )使高壓測量變得危險。具有高共模電壓的信號會(huì )損害信號鏈中的元器件，進(jìn)而可能會(huì )導致設備和數據損壞。高電壓也會(huì )對使用設備的人員造成危險。此外，接地環(huán)路引入的噪聲、耦合和干擾也會(huì )影響接地系統，令人十分擔憂(yōu)8。
圖11.具有多個(gè)浮動(dòng)接地參考點(diǎn)的ADSKPMB10-EV-FMCZ板 浮動(dòng)DAQ通過(guò)單獨的基準浮動(dòng)接地點(diǎn)解決了上述風(fēng)險。浮動(dòng)測量能夠縮短信號傳輸到采集點(diǎn)的路徑，同時(shí)允許采集帶有共模電壓的信號。在圖11中可以看到電路板上的不同接地引腳。 結論 隔離式精密信號鏈對數據采集至關(guān)重要，能夠保持準確度、盡量減少噪聲和干擾并確保數據完整性。結合精密放大功能、隔離技術(shù)、高分辨率ADC和低噪聲、低輻射電源管理，即使在非常惡劣的環(huán)境中，它也能實(shí)現精確測量。隔離式精密信號鏈影響著(zhù)各行各業(yè)，推動(dòng)了科學(xué)研究、工業(yè)自動(dòng)化、醫療健康等領(lǐng)域的進(jìn)步。隨著(zhù)社會(huì )越來(lái)越重視準確、可靠地采集數據，隔離式精密信號鏈的重要性日益顯著(zhù)，不僅驅動(dòng)著(zhù)技術(shù)創(chuàng )新，更充分釋放了數據驅動(dòng)應用的潛力。 參考文獻 1 Jen Lloyd. “數據隔離技術(shù)：將安全性和數據完整性貫穿始終”。ADI公司 2 電氣隔離。ADI公司 3 “利用數據隔離器簡(jiǎn)化設計并確保系統可靠性”。ADI公司，2012年6月。 4 “高速模數轉換器(ADC)的INL/DNL測量”。ADI公司，2001年11月。 5 Maithil Pachchigar�！唉蘉odule數據采集解決方案可有效應對各種精密應用的工程挑戰”。ADI公司，2020年11月。 6 “ADC and DAC Glossary”。Maxim Integrated，2002年7月。 7 數據轉換手冊。ADI公司，2005年。 8 “利用功能隔離斷開(kāi)接地環(huán)路，減少數據傳輸錯誤”。ADI公司，2011年12月。 9 Van Yang、Songtao Mu和Derrick Hartmann�！�PLC DCS Analog Input Module Design Breaks Barriers in Channel-to-Channel Isolation and High Density”�！赌M對話(huà)》，第50卷第12期，2016年12月。 作者簡(jiǎn)介 Lloben Paculanan是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應用工程師。他于2000年加入ADI公司，先后擔任多個(gè)測試硬件開(kāi)發(fā)和應用工程職位，一直專(zhuān)注于精密、高速和信號鏈μModule®開(kāi)發(fā)工作。他擁有美國澤維爾大學(xué)Ateneo de Cagayan學(xué)院工業(yè)工程技術(shù)學(xué)士學(xué)位，以及Enverga University的計算機工程學(xué)位。 Chelsea Faye Aure是ADI公司的產(chǎn)品應用工程師。她是精密信號鏈μModule®解決方案開(kāi)發(fā)團隊的一員，負責提供技術(shù)應用支持。她于2022年加入ADI菲律賓公司，開(kāi)始其職業(yè)生涯。她擁有德拉薩大學(xué)達斯馬里尼亞斯分校的電子工程學(xué)士學(xué)位。 Jan Michael Gonzales是ADI菲律賓公司的電源系統產(chǎn)品應用工程師。他于2020年加入ADI公司，主要從事精密信號鏈供電相關(guān)工作。他擁有馬尼拉瑪普阿大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和電源電子研究生學(xué)位。 |
