高性能模塊化儀器如何實現(xiàn)更大的應用和更小的外形尺寸

繼幾代定制臺式儀器之后，繼續(xù)向具有更大靈活性、軟件控制和更小外形尺寸的模塊化儀器過渡。然而，在滿足噪聲和測量精度目標的同時降低功耗仍然是一個挑戰(zhàn)。

遠離臺式儀器的一個變化是能夠實現(xiàn)移動性。從物流的角度來看，大型定制和基于機架的系統(tǒng)具有局限性。將機柜/桌面設備分解為更小的節(jié)點可實現(xiàn)自定義配置，并針對測試站點或受試者的環(huán)境和地理位置優(yōu)化儀器。通過將測量儀器分解成更小的節(jié)點來提高測量儀器的移動性，從而減少布線和安裝難題。與本地移動儀器的布線連接比將長電纜追溯到中央機架或臺式儀器更容易?；謴万炞C接線和修復接線錯誤連接所花費的時間。盡管外形尺寸不斷變化，但對最佳測試性能、確定性和準確性的需求仍然存在。

應用領域

具有高動態(tài)范圍的模塊化平臺儀器相當于21世紀的卷尺。該儀器提供在各種專業(yè)領域進一步創(chuàng)新、研究和開發(fā)所需的測量功能。

材料科學研發(fā)領域的測試，從風車葉片的結構分析到渦輪機的健康、福祉和電力輸出。

測量應變/壓電傳感器的輸出，調節(jié)這些電壓，并為結構健康和材料開發(fā)進行定量分析，并提供無干擾的清晰測量。

汽車座艙噪聲測量。在原型開發(fā)過程中，將放置在車內的麥克風的輸出數(shù)字化，直至實現(xiàn)更快、更準確的控制回路，從而提高工廠車間的生產吞吐量。

電氣測試：

音頻測量支持開發(fā)用于聲控控制和操作的高級麥克風模塊和揚聲器。

ATE中的無源和有源電子設備的電氣測試，其中參數(shù)測量精度和速度與測試成本有關。

EEG需要在接近直流的特定帶寬上具有極高的動態(tài)范圍。需要更低的功率來封裝數(shù)百個同步測量通道，以封裝到一個小尺寸中。

這些廣泛的應用具有同樣廣泛的通道數(shù)。工業(yè)應用中的標準 8 通道模塊可擴展至 512 通道及以上，用于 EEG 測量。將前端測量設計擴展到大量通道，同時保持同步采樣是關鍵。它是指導一代人研究、開發(fā)、生產和最終操作的數(shù)據(jù)基礎。

創(chuàng)建更小的外形尺寸外殼，同時保持測量通道密度需要電源效率。將模數(shù)轉換器（ADC）和鏈路的動態(tài)范圍（之前）提高到110 dB，同時控制電流消耗是一場持久的戰(zhàn)斗。平衡動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗并不容易。

由AD7768和AD7768-4功能支持的新型ADC子系統(tǒng)已經出現(xiàn)。它能夠以比以前更高的精度數(shù)字化到更寬的帶寬，并具有跨多個通道的保真度和同步采樣。它還提供了緩解熱挑戰(zhàn)的工具，并在高動態(tài)范圍模塊化系統(tǒng)設計中實現(xiàn)了動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗的適當平衡。

可重新配置的熱足跡，軟件可編程測量帶寬

AD7768可以適應測量情況。熱量、減少的空氣空間和沒有主動冷卻都是模塊化儀器的限制，AD7768使用內置工作模式簡化了這些限制，以實現(xiàn)快速、中值和節(jié)能的功耗調節(jié)。對于給定的輸入帶寬，用戶可以決定消耗更多或更少的功率，從而減少模塊內的熱量。一個例子是在51.2 kHz的輸入帶寬上進行數(shù)字化。這種帶寬在基于 FFT 的分析中很常見，因為它在 FFT 輸出中提供了一個整數(shù)箱大小。AD7768采用磚墻數(shù)字濾波器框架，需要輸入帶寬。低紋波通帶和陡峭過渡帶在剛好高于 51.2 kHz 的頻率下具有完全衰減，這意味著奈奎斯特頻率附近沒有折返。對于AD7768，用戶可以選擇在快速或中值模式下工作。在電流消耗和動態(tài)范圍之間做出決定，具體取決于哪個范圍對系統(tǒng)最受限制。一起來看看：

圖1.數(shù)字化 50 kHz 輸入帶寬?？焖倌Ｊ叫阅?，F(xiàn)FT顯示ADA4896-2驅動時的性能。（AD7768處于快速模式，十進制×64，輸出速率為128 kSPS）預充電模擬輸入緩沖器開啟。

圖2.數(shù)字化 50 kHz 輸入帶寬。中值模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4896-2驅動時的性能。（AD7768處于中值模式，十進制×32時輸出速率為128 kSPS）預充電模擬輸入緩沖器導通。

此處使用以下基本設置演示了動態(tài)范圍與電流消耗的權衡：MCLK = 32.768 MHz，低紋波通帶濾波器（“磚墻”），每種模式的數(shù)據(jù)速率為128 kSPS，數(shù)字化50 kHz的輸入帶寬，輸入正弦波為?0.5 dB，比滿量程低0.5 dB。圖1和圖2顯示了ADC性能的比較：模擬輸入正弦波的出色低失真數(shù)字版本。切換到中值模式可以降低電流消耗，從而將噪聲和動態(tài)范圍降低3 dB。

在經典的51.2 kHz測量帶寬中，用戶可以選擇降低電流或最大化ADC的動態(tài)范圍。功率調節(jié)不僅適用于ADC，而且在ADC之前對驅動放大器電路也存在連鎖反應。如圖3所示，該子系統(tǒng)還包括一個驅動放大器，通常包括用于抗混疊的信號調理。

圖3.ADC子系統(tǒng)功率調節(jié)：驅動器放大器的占位面積可以重新填充低電流放大器，同時對ADC進行功率調節(jié)。

可以選擇具有不同功耗的放大器與每種功率模式配對。該表說明，快速模式的初始設計可以在以后進行擴展，以便在具有相同基本尺寸的中值或節(jié)能模式下使用，但重新調整用途以降低電流消耗。

縮放到具有中值模式的較低功率放大器有助于進一步降低電流消耗。在中值模式下使用ADA4807-2或ADA4940-1的性能如圖4和圖5所示，在50 kHz輸入帶寬內對交流和直流進行數(shù)字化處理時。

圖4.中值模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4807-2驅動ADC預充電模擬輸入緩沖器導通時的性能。

圖5.中值模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4940-1驅動ADC預充電模擬輸入緩沖器導通時的性能。

能夠調整和調整測量子系統(tǒng)的功耗有兩個好處。首先，嵌入式功率調節(jié)靈活性允許動態(tài)靈活性，以改善測量范圍或測量持續(xù)時間（例如，如果模塊由電池供電）。其次，它允許創(chuàng)建基本平臺設計，可以針對特定的測量帶寬和性能點進行設置和調整，以便開發(fā)定制儀器以滿足確切的最終客戶測量挑戰(zhàn)。

軟件可配置的輸入帶寬和延遲 — 將其應用于通道組

除了使用AD7768調整ADC的電流消耗和動態(tài)范圍外，還存在可配置的濾波功能，可根據(jù)測量情況進行調整。磚墻、低紋波濾波器非常適合在寬頻率范圍內提供增益精度。它們的缺點是積分/平均時間長。因此，AD7768的群延遲相對較大，在34個數(shù)據(jù)周期范圍內，然后才能看到模擬輸入的數(shù)字化版本。給出相對時間尺度，在250 kSPS的快速模式下運行，每個數(shù)據(jù)轉換周期為4 μs，因此群延遲為136 μs。在控制環(huán)路或可能重視快速響應而不是頻率增益精度的應用中，這可能是不能容忍的。為了能夠實現(xiàn)控制環(huán)路的高動態(tài)范圍測量，可以使用sinc5濾波器。相對于寬帶濾波器，該路徑將群延遲降低了10倍。

AD7768的一個有用功能是，它可以允許用戶在通道之間混合使用濾波器類型。每個ADC可以分配給兩組通道之一。然后，可以將每個組分配給兩個濾波器之一，并通過六個可用抽取率之一設置其速度。此功能允許在八個ADC內完成不同的測量類型，并允許通過軟件設置進行配置，類似于每個ADC分立的情況。一個示例場景是，在監(jiān)控重要工業(yè)資產時，用戶可能希望測量4 mA至20 mA變送器或電壓輸出變送器的直流輸出，同時測量另一個模擬輸入通道上的振動傳感器。直流響應可以從變送器讀取并饋送到控制環(huán)路，同時在單獨的同步通道上測量振動。輸入帶寬和延遲能力的混合是創(chuàng)建用于工業(yè)環(huán)境的定制高價值儀器的基礎：一臺儀器在一個系統(tǒng)上同時執(zhí)行運行過程變量和集成工廠振動信息的雙重功能。

圖6.比較sinc5濾波器與寬帶濾波器的群延遲。Sinc5 可快速響應模擬輸入上的輸入變化，適用于控制環(huán)路應用，其中最小化環(huán)路延遲是關鍵。綠點表示群延遲時間的樣本，粉點表示每個濾波器的最終建立值。

圖7.為不同的濾波器類型配置不同的ADC通道。兩組：A采用寬帶，B為新頻。每個組的抽取率也可以通過SPI進行配置。

高性能、可擴展的高速和低功耗可實現(xiàn)現(xiàn)代外形和用例

從大型固定式儀器儀表到更具移動性和靈活性的設備不斷流行。它們?yōu)閺V泛的行業(yè)、市場和應用中的高級開發(fā)和創(chuàng)新提供了寶貴的潛力。雖然存在動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗等挑戰(zhàn)，但先進的ADC正在幫助緩解這些挑戰(zhàn)，并為設計人員提供比以前功能更強大的工具。

審核編輯：郭婷