使用隔離技術(shù)保持數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性并提高其性能

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了解決新出現(xiàn)的復(fù)雜問題，智能化在向邊緣遷移，隨之而來的確保數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 的可靠性、準(zhǔn)確性和性能就變得愈發(fā)重要。因此，要求設(shè)計人員在信號采集和系統(tǒng)處理器之間提供一個隔離式精密信號鏈。

在模擬信號精密測量鏈中，確保隔離能力是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。盡管存在信號破壞因素和不可避免的溫度漂移，但要保持信號鏈的性能，還需要認真關(guān)注每一個細節(jié)。對于許多設(shè)計人員來說，在選擇和使用適當(dāng)?shù)母綦x技術(shù)之前更好地了解相關(guān)問題將大有裨益。

本文將討論與開發(fā)、優(yōu)化高端隔離式 DAQ 系統(tǒng)有關(guān)的各種問題，其中“高端”一詞包含精度、準(zhǔn)確性、信號完整性和一致性等屬性。然后介紹 [Analog Devices]的 DAQ 信號鏈解決方案，并說明如何使用這些解決方案來構(gòu)建此類系統(tǒng)。

優(yōu)化每個功能塊

典型的 DAQ 系統(tǒng)由一系列功能模塊組成。借助這些模塊，信號可通過傳感器從物理系統(tǒng)中傳遞。然后，信號進入模擬前端 (AFE) 進行調(diào)節(jié)，進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進行數(shù)字化處理，最后進入基于計算機的讀出器或控制器（微控制器或者更大的系統(tǒng)）（圖 1）。

圖 1：DAQ 系統(tǒng)包括一條定義明確的線性信號鏈，其路徑為從被測物理系統(tǒng)和傳感器到主處理器。（圖片來源：Bill Schweber）

要實現(xiàn) DAQ 的精度和準(zhǔn)確性，首先要選擇前端的信號調(diào)節(jié)器件，特別是變送器前置放大器。低噪聲性能是此項功能的眾多關(guān)鍵因素之一，因為在設(shè)計后期很難降低內(nèi)部噪聲，而且會與所需信號一起被放大。信噪比 (SNR) 基準(zhǔn)在此確定，并且當(dāng)信號穿過更多級時，信噪比會不可避免地進一步降低。

因此，AFE 通常使用噪聲優(yōu)化型單功能運算放大器（運放）。Analog Devices 的 [ADA4627-1BRZ-R7] 是前端前置放大器的理想選擇。這是一款 30 V（±15 V 雙電源）、高速、低噪聲、低偏置電流的 JFET 運放。在眾多傳感器優(yōu)化規(guī)格中，該器件具有 200 μV（最大值）低失調(diào)電壓、1 μV/°C（典型值）失調(diào)漂移、5 pA（最大值）輸入偏置電流。臨界電壓噪聲規(guī)格為 1 千赫茲 (kHz) 時 6.1 nV 每根號赫茲 (nV/√Hz)（圖 2）。

圖 2：ADA4627 JFET 運算放大器的電壓噪聲為 6.1 nV/√Hz（1 kHz）。（圖片來源：Analog Devices）

隔離有許多好處

一旦信號經(jīng)過放大和數(shù)字化，就會在信號與系統(tǒng)的數(shù)字部分和相關(guān)處理器之間建立電隔離。采取這一步驟主要有三個原因：

1. 降低噪聲和干擾 ：電隔離可消除共模電壓變化、接地回路和電磁干擾 (EMI)。電隔離還能防止外部噪聲源干擾已采集到的信號，確保測量結(jié)果更清晰、更準(zhǔn)確。
2. 消除接地回路 ：接地回路會引入電壓差，使導(dǎo)致測量信號失真。電隔離可切斷接地回路，從而消除地電位變化造成的干擾，提高測量精度。
3. 安全和保護 ：隔離柵可防止危險的電壓尖峰、瞬態(tài)電壓或浪涌電壓波及敏感的測量元件，以確保電氣安全。這可以保護測量電路和連接設(shè)備，確保工作安全可靠。此外，如果低電平傳感器即使是短暫地接觸了高壓線路或 AC 線路，這種屏障也能消除對用戶的電氣危險。

基于磁性、光學(xué)、電容甚至射頻原理，有多種技術(shù)可用于隔離數(shù)字信號。Analog Devices 提供一系列高性能解決方案，包括基于其專有 iCoupler 技術(shù)的 [ADUM152N1BRZ-RL7]五通道數(shù)字隔離器（圖 3）。

圖 3：ADuM152N 五通道數(shù)字隔離器使用專有的磁耦合技術(shù)實現(xiàn)高性能。（圖片來源：Analog Devices）

這些隔離器結(jié)合了高速 CMOS 電路和單片空芯變壓器技術(shù)。為確保性能符合高速數(shù)字鏈路的需求，在 5 V 電壓下，最大傳播延遲為 13 納秒 (ns)，脈寬失真小于 4.5 ns，通道與通道之間的傳播延遲匹配嚴格控制在 4.0 ns（最大）。[ADUM120N1BRZ-RL7] 也有類似的雙通道版本，因此隔離通道的總數(shù)可以與總線寬度相匹配。

這些隔離器針對高速性能進行了優(yōu)化，保證數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒 150 兆比特 (Mb/s)。這些隔離器具有 100 kV 每微秒 (kV/μs) 的高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 和 3 kV 均方根 (rms) 的額定耐受電壓，并符合所有相關(guān)的法規(guī)要求。

信號隔離只是整個隔離過程的一部分。DAQ 系統(tǒng)的所有 DC 電源軌也必須隔離。最常見的方法是將變壓器作為隔離元件。

如果初級電源已經(jīng)是 AC 電源，則需要通過變壓器，然后進行整流和穩(wěn)壓；如果電源是 DC 電源，則必須首先進行斬波處理為類似 AC 的波形。使用諸如 [LT3999] 等器件可大大簡化這一過程。這是一款低噪聲、1 安培 (A)、50 kHz 至 1 兆赫 (MHz) 的 DC/DC 驅(qū)動器。

完整的高性能 DAQ 系統(tǒng)需要額外的核心和外圍器件。其設(shè)計和布局必須確保測量準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)完整性。除放大器和隔離柵外，精密信號鏈通常還包括濾波元件、高分辨率 ADC 和開關(guān)。這些器件的組合可消除噪聲，減少干擾并實現(xiàn)準(zhǔn)確的信號表示。

全部整合在一起

在使用這些關(guān)鍵元器件的隔離信號鏈中，[ADSKPMB10-EV-FMCZ]便是其中之一，這是一個可實現(xiàn)單通道、全隔離、低延遲 DAQ 系統(tǒng)的精密平臺（圖 4）。該解決方案結(jié)合了用于信號調(diào)節(jié)的可編程增益儀表放大器 (PGIA)，以適應(yīng)各種傳感器接口的靈敏度，并在一塊緊湊的電路板內(nèi)實現(xiàn)了數(shù)字和電源的隔離。

圖 4：ADKSPMB10-EV-FMCZ 是一個可實現(xiàn)單通道、全隔離、低延遲 DAQ 系統(tǒng)的精密平臺。PMOD - FMC 轉(zhuǎn)接板（中心塊）提供隔離和其他功能。（圖片來源：Analog Devices）

用于評估時，該板被配置為一個多板解決方案，包括具有 PMOD 外形的 ADSKPMB10-EV-FMCZ （圖 5）和 [EVAL-SDP-CH1Z]系統(tǒng)演示平臺 (SDP) 接口板。這兩塊電路板之間是一塊完全隔離的 PMOD 轉(zhuǎn) FMC 轉(zhuǎn)接板。

圖 5：ADSKPMB10-EV-FMCZ（左）通過 PMOD 轉(zhuǎn) FMC 轉(zhuǎn)接板（右）連接 SDP 接口板（未顯示）。轉(zhuǎn)接板上的垂直分割區(qū)顯示了隔離柵的實施位置。（圖片來源：Analog Devices）

ADSKPMB10-EV-FMCZ 采用 ADA4627-1 運算放大器構(gòu)建的分立式 PGIA。PGIA 具有高輸入阻抗，這是支持與各種傳感器直接連接所必須的。該模塊還具有一個用于增益設(shè)置的精密型四重匹配排阻、一個四通道多路復(fù)用器和一個用于 [ADAQ4003] 的全差分放大器 ADC 驅(qū)動器。ADAQ4003 是一款以 μModule 形式實現(xiàn)的 18 位、2 兆樣本每秒 (MSPS) 的 ADC 和 DAQ 子系統(tǒng)。

該模塊不僅僅是一個高分辨率 ADC。ADAQ4003 采用多種降噪技術(shù)，以實現(xiàn)高保真信號捕捉。例如，在 ADC 驅(qū)動器輸出和 μModule 內(nèi)部的 ADC 輸入之間放置了一個單極低通電阻電容 (RC) 濾波器，以消除高頻噪聲并減少來自內(nèi)部 ADC 輸入的電荷“反沖”。

此外，μModule 的布局確保了模擬和數(shù)字路徑的分離，從而避免了交叉并最大限度地減少了輻射噪聲。

完全隔離的 PMOD 至 FMC 轉(zhuǎn)接板包括 LT3999 DC/DC 驅(qū)動器、五通道和雙通道數(shù)字隔離器、低噪聲低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 和超低噪聲 LDO。轉(zhuǎn)接板起橋接作用，與 SDP 接口板相連。

SDP 接口板執(zhí)行采集后處理、管理和連接功能。該電路板有一個 160 針 FMC 連接器、一個 12 VDC 電源（可進一步調(diào)節(jié)并為其他電路板分區(qū)）、一個 Blackfin 處理器（具有用于代碼和內(nèi)容保護的硬件安全功能）、一個 USB 端口和一個 Spartan-6 FPGA。

性能即證明

評估精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能并非易事，因為儀表、測試布局和標(biāo)準(zhǔn)都非常關(guān)鍵。雖然許多動態(tài)參數(shù)與 DAQ 系統(tǒng)的性能有關(guān)，但最能說明問題的是動態(tài)范圍、信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD)。

動態(tài)范圍是指設(shè)備的本底噪聲與其指定的最大輸出電平之間的范圍。

該設(shè)計的典型動態(tài)范圍令人印象深刻，在最高增益設(shè)置下為 93 分貝 (dB)，最低增益設(shè)置下為 100 dB（圖 6）。將超采樣率提高 1024 倍后，測量結(jié)果得到進一步改善，最高分別達到 123 dB 和 130 dB。

圖 6：根據(jù)增益和其他設(shè)置，整個電路和信號鏈的動態(tài)范圍約為 100 dB，表明這是一個高性能 DAQ 系統(tǒng)。（圖片來源：Analog Devices）

SNR 是均方根信號幅值與所有其他頻譜成分（不包括諧波和 DC）的均方根 (RSS) 平均值之比。總諧波失真 (THD) 是基波信號均方根值與其諧波 RSS 平均值之比。

這種設(shè)計的信噪比和總諧波失真 (THD) 顯然具有很高的性能，因為信號鏈的最大信噪比達到 98 dB（圖 7（左）），總諧波失真達到 -118 dB（圖 7（右）），具體取決于增益設(shè)置。

圖 7：除了動態(tài)范圍之外，高 SNR（左）和低 THD（右）也是以模擬為重點的 DAQ 性能卓越的具體證明。

結(jié)束語

設(shè)計和實施隔離式精密信號鏈，以保持精度，最大限度地減少噪聲和干擾，并確保數(shù)據(jù)完整性，是一項重要的設(shè)計和實施工作。幸運的是，通過合理地使用精密放大、隔離技術(shù)、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器和模塊以及低噪聲電源管理，即使在具有電氣挑戰(zhàn)性的環(huán)境中也能實現(xiàn)精確測量。通過使用 Analog Devices 的先進器件（從基本運算放大器到高級隔離器件），并輔以必要的外設(shè)功能以及詳盡的數(shù)據(jù)表和應(yīng)用指南，這一切都成為可能。

審核編輯 黃宇