適用于極端高溫環(huán)境的強大精密數(shù)據(jù)采集和控制平臺

作者：Jeff Watson and Maithil Pachchigar

多個行業(yè)的需求導致高精度電子產(chǎn)品越來越多地靠近高溫區(qū)域。這一趨勢有幾個驅(qū)動因素，例如在能源勘探中，獲取難以獲得的資源通常需要設計為在175°C或更高的溫度下運行的設備。由于尺寸和功率限制，主動冷卻是不切實際的，熱量對流非常有限。在其他系統(tǒng)中，希望將傳感器和信號調(diào)理節(jié)點放置在靠近高溫區(qū)域的位置，例如發(fā)動機、制動系統(tǒng)或高功率能量轉(zhuǎn)換電子設備，以提高整體系統(tǒng)可靠性或降低成本。航空航天、汽車、重工業(yè)和其他終端應用都在努力克服這一設計挑戰(zhàn)。

從歷史上看，工程師為這些應用設計可靠、高性能的電子設備一直非常具有挑戰(zhàn)性，因為缺乏制造商為這些工作條件指定的組件。幸運的是，近年來，制造商指定用于175°C及更高溫度工作的IC和無源元件數(shù)量越來越多。此外，最近的參考設計還關注信號鏈子系統(tǒng)中組合在一起用于精密數(shù)據(jù)采集的一些組件的性能，以使系統(tǒng)設計人員能夠更快地采用CN-0365等技術，并幫助他們降低設計風險并縮短上市時間。然而，到目前為止，在用于高溫精密數(shù)據(jù)采集的全功能齊全、特性良好且廣泛可用的平臺方面仍然存在差距。

在本文中，我們介紹了一種新的高溫、精密數(shù)據(jù)采集和處理平臺，該平臺設計工作溫度為200°C。 該平臺包括帶有數(shù)據(jù)采集前端和微控制器的高溫電路組件、優(yōu)化固件、數(shù)據(jù)采集和分析軟件、源代碼、設計文件、物料清單和測試報告。該平臺適用于高溫儀器系統(tǒng)的參考設計、快速原型設計和實驗室測試。電路組件的尺寸和結構設計為與石油和天然氣儀表外形尺寸兼容，盡管它也可以用作其他高溫應用的基礎。

硬件架構概述

石油和天然氣勘探中使用的儀器，也稱為井下工具，類似于許多精密數(shù)據(jù)采集和控制平臺，但具有一些專門的性能和可靠性要求，作為該參考平臺的案例研究很有趣。在此應用中，對來自各種傳感器的信號進行采樣，以收集有關周圍地質(zhì)構造的信息。這些傳感器可以采用電極、線圈、壓電或其他換能器的形式。加速度計、磁力計和陀螺儀提供有關鉆柱傾斜度和旋轉(zhuǎn)速率的信息。其中一些傳感器的帶寬非常低，而另一些傳感器能夠提供音頻范圍或更高的信息。需要多個采集通道，并且必須在高溫（通常為175°C或更高）下保持高精度。此外，這些儀器中的許多都使用電池供電或可用的發(fā)電量有限，因此必須具有低功耗和多種工作模式以實現(xiàn)功率優(yōu)化。

除了電子系統(tǒng)要求外，井下應用還具有機械約束，這些約束可能決定電子組件的外形尺寸，并影響組件的封裝和選擇。后者將在后面的章節(jié)中更詳細地討論，但值得注意的是，該段的電路組件往往對電路板寬度有限制。電子組件必須放置在鉆井作業(yè)中使用的管狀壓力容器內(nèi)，這會導致長寬比和窄。這種外形尺寸限制了可填充組件的尺寸和密度，還可能限制組件布局和信號路由的分區(qū)，這可能會對高精度電子產(chǎn)品的性能產(chǎn)生重大影響，因此需要注意布局和其他封裝設計細節(jié)。圖2顯示了典型的外形尺寸、安裝在管狀壓力容器中的電路組件（透明，頂部）和板安裝的管狀壓力容器的橫截面（底部）。

本文介紹的可靠參考設計平臺以CN-0365模擬前端參考設計為基礎，旨在為基于微控制器的高溫、低功耗精密數(shù)據(jù)采集和控制解決方案奠定基礎，以滿足許多井下儀器儀表和其他高溫電子設備的要求。此參考設計基于AD7981模數(shù)SAR轉(zhuǎn)換器，展示了功能齊全的 系統(tǒng)具有 2 個高速同步采樣通道以及 8 個額外的多路復用通道，適用于滿足各種井下工具的采集要求（總共 10 個通道）。該模擬前端通過SPI端口連接到聯(lián)盟合作伙伴Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM Cortex-M0微控制器。該設計是ADI不斷發(fā)展的高溫應用產(chǎn)品和解決方案生態(tài)系統(tǒng)的最新成員。??

圖1.高溫參考平臺。

一旦采集，數(shù)據(jù)可以在本地處理或通過UART或可選的RS-485通信接口傳輸。板上的其他支持元件，包括存儲器、時鐘、電源和無源器件，均由其各自的供應商額定為高溫工作，并經(jīng)驗證可在 200°C 或更高的溫度下可靠運行。圖1和圖2顯示了該高溫基準平臺的實際電路板和高級框圖。圖 2 中的電路板渲染圖顯示了井下電子電路板布局和外形尺寸，長約 11.4 英寸，寬約 1.1 英寸。

圖2.井下電子組件外形。

CN-0365應用筆記廣泛介紹了該平臺的精密數(shù)據(jù)采集通道設計。3該設計是該平臺上三個ADC輸入的基礎，盡管進行了一些更改和優(yōu)化，主要是在無源元件選擇方面，以滿足電路板的外形尺寸要求，并將可靠工作溫度延長至200°C。 參考采集通道電路如圖4所示。有2個數(shù)字多路復用通道，每個通道包含一個完整的數(shù)據(jù)采集通道，類似于CN-0365，能夠以高采樣速率運行。還有一個模擬多路復用通道，在輸入前面增加了一個ADG798多路復用器，該通道針對較低吞吐量的輸入進行了優(yōu)化。R1和R3為U1的同相輸入提供1.25 V偏置，并在保持開路或取消選擇多路復用器時防止其浮動到模擬輸入的供電軌。可以改變R8和R9以增加U1的增益。R4、R7和C1是抗混疊濾波器，但它們可以重新配置為衰減器或備用濾波器配置。R5、R6和C4構成ADC驅(qū)動器和ADC輸入之間的RC濾波器，用于限制到達ADC輸入端的帶外噪聲量，并衰減ADC輸入中開關電容的反沖電壓。4

圖3.高溫參考平臺框圖。

圖4.ADC 驅(qū)動程序配置。

該平臺旨在利用AD7981 ADC的幾個關鍵特性。這款16位、600 kSPS轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)大于85 dB的典型SINAD和±0.6 LSB（典型值INL），基準電壓源為2.5 V，無失碼。使用5 V基準電壓源可以實現(xiàn)大于90 dB的SINAD電壓源，盡管為了保持與低壓系統(tǒng)的兼容性，本平臺未選擇該基準電壓源。由于ADC內(nèi)核在轉(zhuǎn)換周期之間自動關斷，因此ADC功耗隨吞吐速率自動線性調(diào)節(jié)。這樣，當以較低的采樣率使用轉(zhuǎn)換器時，可以實現(xiàn)節(jié)能。

軟件概述

固件

該平臺的固件基于 FreeRTOS 操作系統(tǒng)構建，便于簡單合并任務，例如數(shù)據(jù)處理和其他形式的通信。代碼經(jīng)過優(yōu)化，可高效完成非多路復用通道0和1的快速ADC轉(zhuǎn)換，以及多路復用通道2至9的低至10 μs。轉(zhuǎn)換結果可以在本地處理，也可以以 2 Mbps 的速度從 UART 通道流式傳輸出去。轉(zhuǎn)換結果緩沖器為16 kB（8k樣本），可在多個通道之間共享或?qū)Ｓ糜趩蝹€通道。該固件以開源格式提供，允許最終用戶進行定制，并可作為最終應用的基礎。

數(shù)據(jù)采集和分析軟件

圖 5 顯示了數(shù)據(jù)采集和分析軟件，該軟件采用 .NET 設計，通過 USB-UART-TTL 電平轉(zhuǎn)換器與電路組件接口。定義明確的協(xié)議允許與硬件進行通信，包括控制和數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)可以在突發(fā)模式下捕獲，也可以連續(xù)捕獲。此外，還包括數(shù)據(jù)分析功能，用于分析和驗證時域和頻域（例如FFT）中的SNR、THD和SINAD。數(shù)據(jù)還可以記錄到文件中（例如，在Excel中導出），以便在其他應用程序中存儲或處理。與固件一樣，數(shù)據(jù)采集軟件源代碼可由最終用戶免費定制。

圖5.數(shù)據(jù)采集和分析軟件。

高溫結構

該參考平臺使用適合200°C操作的組件和其他材料構建。組件上使用的所有組件均由相應制造商評定為高溫操作（除非另有說明），并且可從全球分銷商處隨時獲得。完整的 BOM、PCB 圖稿和裝配圖可作為參考設計包的一部分免費提供。

電容器

C0G 或 NP0 介電電容器用于低值濾波和去耦。這些電介質(zhì)在整個溫度范圍內(nèi)具有非常平坦的系數(shù)，并且通常更能耐受電路板彎曲應力。5此外，對于在變化電壓下具有高Q值、低溫度系數(shù)和穩(wěn)定電氣特性的RC濾波器，建議使用C0G或NP0型電容器。小尺寸 0805 或更小的陶瓷用于最大限度地減少組件和 PCB 之間的 CTE 不匹配。選擇高溫鉭電容器進行大容量儲能時，需要在封裝尺寸和ESR之間進行權衡。

電阻

薄膜 SMT 電阻器，汽車級 PATT 系列，用于該設計的大部分，并且在市場上很容易買到。一些厚膜SMT電阻器在設計中也用于特定的值和尺寸。

連接

該板采用額定溫度為 200°C 的 Micro-D 連接，這在高可靠性行業(yè)中很常見。為了減少信號串擾，規(guī)定連接器的外殼接地到組件中的PCB上。對于需要最高信號完整性和最低串擾的應用，應使用高溫專用連接器（或無連接器）和同軸或屏蔽平衡輸入，以最大程度地減少串擾。

印刷電路板設計和布局

選擇長而窄的PCB外形尺寸是為了適用于井下應用，其中電路板必須符合鉆孔和壓力外殼的限制。選擇的電路板材料是高溫無鹵聚酰亞胺.指定 0.093“ 板厚度，以增加標準 0.062” 厚度板的剛性和平面度。

使用鎳金表面光潔度，其中鎳提供抵抗金屬間生長的屏障，金為焊點鍵合提供良好的表面。

對于所選的 0.093“ 電路板厚度，典型的四層堆疊將涉及 ~13 mil 銅層分離和 60 mil 的大內(nèi)部核心。在六層中，層間距通常為 9.5 密耳和 28 密耳。因此，采用了六層設計，并允許在每個信號層旁邊有一個接地層，以獲得更好的噪聲性能。

電源和數(shù)字通信信號饋入一個連接器，模擬信號進入另一個連接器。這在數(shù)字域和模擬域之間提供了良好的隔離和信號流。平面分割位于中板，在分割附近提供電源濾波。穿過分體平面的數(shù)字控制線被最小化，并提供串聯(lián)端接以最大限度地減少數(shù)字噪聲的耦合。數(shù)字和模擬接地層通過銅網(wǎng)連接在單個點上，為驅(qū)動源提供低阻抗返回路徑。

多路復用器控制信號沿模擬部分的長度運行，但布線以遠離關鍵的模擬信號路徑。實際上，這些多路復用控制線與采集測量同步變化，因此串擾效應最小化。

焊料

選擇Sn95/Sb05是為了在200°C的工作溫度下提供足夠高的熔點（>230°C），并提供良好的可加工性和總裝車間的可用性。

板安裝

該板上提供的立柱安裝僅為方便起見，僅適用于臺架測試或?qū)嶒炇仪闆r下的安裝。它們不適合高沖擊和振動環(huán)境的安裝座。為了在高沖擊和振動環(huán)境中使用，可以通過首先用環(huán)氧樹脂將組件固定到電路板上來制備電路板。IDC 標頭等易受攻擊的項目可以封裝或從組件中刪除。井下或其他惡劣環(huán)境應用的典型安裝將涉及軌道安裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過靈活的減震安裝墊圈固定電路板的周邊?；蛘撸梢詫⒔M件完全封裝并灌封在安裝硬件內(nèi)，然后將其固定在機箱或機箱上。

有關相應器件的更多信息，請參閱文章“用于高溫電子應用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案”。2

性能測試結果

對幾塊電路板進行了廣泛的測試，以評估溫度范圍內(nèi)的典型性能，并在 200°C 環(huán)境中進行 200 小時的溫度浸泡，以鑒定組裝過程和電路板可靠性。

交流和直流信號鏈性能是基于SAR ADC的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵精密測量指標。當ADC以600 kSPS運行時，比例式魯棒平臺在200°C時可實現(xiàn)–100 dB以上的串擾和±60 mV的最大失調(diào)漂移。對于交流測試，使用低失真1 kHz音調(diào)作為輸入信號，電路板由+5 V供電直流/–2.5 V直流模擬電源。通過頻譜分析計算在400 kSPS下采集的這種音調(diào)的FFT如下圖6所示。在 200°C 時可獲得優(yōu)于 84 dB SNR 和 –96 dB THD。 圖7顯示了SNR和SINAD，圖8顯示了具有相同輸入音的非多路復用通道的THD隨溫度的變化。

圖6.200°C下的FFT和頻譜分析。

圖7.信噪比和錫納德隨溫度變化。

圖8.總諧波比溫度變化。

模擬和數(shù)字電源軌上的電流消耗在整個溫度范圍內(nèi)測量，如圖9所示。室溫下的總功耗為 155 mW，200°C 時增加到 225 mW。 3.3 V電源軌的功耗主要來自微控制器和精密振蕩器，微控制器以全時鐘速率運行。轉(zhuǎn)換器設置為每秒采集8192個樣本。

圖9.2.5 V、3 V和5 V電源軌的電流消耗

其他參數(shù)的測試結果可以在參考平臺上找到，該參考平臺經(jīng)過認證并具有200°C操作特性。

應用示例

在石油和天然氣勘探、航空航天和重工業(yè)的許多應用中，加速度計都用于方向和振動傳感。具有模擬輸出的加速度計可以提供最高程度的精度，并可根據(jù)應用靈活地調(diào)節(jié)傳感器輸出。

ADXL206是一款精密、低功耗、完整的雙軸iMEMS加速度計，適用于高溫環(huán)境。它提供 ±5 g 范圍和 0.5 Hz ≤帶寬≤ 2.5 kHz。ADXL206的輸出中心約為1/2 V?抄送并且與 V 成比例抄送.如果 ADXL206 和 EV-HT-200CDAQ1 共享 V抄送（在連接器上可用），V抄送多路復用器通道S7上提供的基準可用于零直流失調(diào)和電源漂移。示例電路如圖10所示。ADXL206的0 V至5 V信號范圍必須按1/2比例調(diào)整，以適應精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的0 V至2.5 V范圍。這是通過首先緩沖輸出，然后使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部的衰減器來實現(xiàn)的。C2和C3設置ADXL206的帶寬;圖9中的示例顯示了33 Hz的帶寬。 低帶寬應用可以利用多路復用器輸入;為了獲得最高的帶寬和精度，可以使用兩個非多路復用輸入通道。

圖 10.將高溫加速度計與 EV-HT-200CDAQ1 接口。

總結

本文介紹了一種新型、高度集成的魯棒型精密數(shù)據(jù)采集參考平臺EV-HT-200CDAQ1，該平臺經(jīng)認證并具有200°C工作特性。該平臺允許高溫電子系統(tǒng)的設計人員使用最新的先進組件進行快速原型設計和評估，從而最大限度地減少開發(fā)時間和上市時間。

審核編輯：郭婷