使用隔離技術(shù)保持?jǐn)?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(wèn)題，智能化在向邊緣遷移，隨之而來(lái)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(jì)人員在信號(hào)采集和系統(tǒng)處理器之間提供一個(gè)隔離式精密信號(hào)鏈。

在模擬信號(hào)精密測(cè)量鏈中，確保隔離能力是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。盡管存在信號(hào)破壞因素和不可避免的溫度漂移，但要保持信號(hào)鏈的性能，還需要認(rèn)真關(guān)注每一個(gè)細(xì)節(jié)。對(duì)于許多設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，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(wèn)題將大有裨益。

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

優(yōu)化每個(gè)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(hào)可通過(guò)傳感器從物理系統(tǒng)中傳遞。然后，信號(hào)進(jìn)入模擬前端 (AFE) 進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進(jìn)行數(shù)字化處理，最后進(jìn)入基于計(jì)算機(jī)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(hào)鏈，其路徑為從被測(cè)物理系統(tǒng)和傳感器到主處理器。（圖片來(lái)源：Bill Schweber）

要實(shí)現(xiàn) DAQ 的精度和準(zhǔn)確性，首先要選擇前端的信號(hào)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(xiàng)功能的眾多關(guān)鍵因素之一，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)后期很難降低內(nèi)部噪聲，而且會(huì)與所需信號(hào)一起被放大。信噪比 (SNR) 基準(zhǔn)在此確定，并且當(dāng)信號(hào)穿過(guò)更多級(jí)時(shí)，信噪比會(huì)不可避免地進(jìn)一步降低。

因此，AFE 通常使用噪聲優(yōu)化型單功能運(yùn)算放大器（運(yùn)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(yùn)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(shí) 6.1 nV 每根號(hào)赫茲 (nV/√Hz)（圖 2）。

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

隔離有許多好處

一旦信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和數(shù)字化，就會(huì)在信號(hào)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(gè)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(hào)，確保測(cè)量結(jié)果更清晰、更準(zhǔn)確。
2. 消除接地回路 ：接地回路會(huì)引入電壓差，使導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)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(cè)量精度。
3. 安全和保護(hù) ：隔離柵可防止危險(xiǎn)的電壓尖峰、瞬態(tài)電壓或浪涌電壓波及敏感的測(cè)量元件，以確保電氣安全。這可以保護(hù)測(cè)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(duì)用戶的電氣危險(xiǎn)。

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(hào)。Analog Devices 提供一系列高性能解決方案，包括基于其專(zhuān)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(zhuān)有的磁耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能。（圖片來(lái)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(yán)格控制在 4.0 ns（最大）。[ADUM120N1BRZ-RL7] 也有類(lèi)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(duì)高速性能進(jìn)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(hào)隔離只是整個(gè)隔離過(guò)程的一部分。DAQ 系統(tǒng)的所有 DC 電源軌也必須隔離。最常見(jiàn)的方法是將變壓器作為隔離元件。

如果初級(jí)電源已經(jīng)是 AC 電源，則需要通過(guò)變壓器，然后進(jìn)行整流和穩(wěn)壓；如果電源是 DC 電源，則必須首先進(jìn)行斬波處理為類(lèi)似 AC 的波形。使用諸如 [LT3999] 等器件可大大簡(jiǎn)化這一過(guò)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(dòng)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(jì)和布局必須確保測(cè)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(hào)鏈通常還包括濾波元件、高分辨率 ADC 和開(kāi)關(guān)。這些器件的組合可消除噪聲，減少干擾并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信號(hào)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(hào)鏈中，[ADSKPMB10-EV-FMCZ]便是其中之一，這是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)單通道、全隔離、低延遲 DAQ 系統(tǒng)的精密平臺(tái)（圖 4）。該解決方案結(jié)合了用于信號(hào)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(shí)現(xiàn)了數(shù)字和電源的隔離。

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

用于評(píng)估時(shí)，該板被配置為一個(gè)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(tái) (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(guò) 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(shí)施位置。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

ADSKPMB10-EV-FMCZ 采用 ADA4627-1 運(yùn)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(gè)用于增益設(shè)置的精密型四重匹配排阻、一個(gè)四通道多路復(fù)用器和一個(gè)用于 [ADAQ4003] 的全差分放大器 ADC 驅(qū)動(dòng)器。ADAQ4003 是一款以 μModule 形式實(shí)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(gè)高分辨率 ADC。ADAQ4003 采用多種降噪技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高保真信號(hào)捕捉。例如，在 ADC 驅(qū)動(dòng)器輸出和 μModule 內(nèi)部的 ADC 輸入之間放置了一個(gè)單極低通電阻電容 (RC) 濾波器，以消除高頻噪聲并減少來(lái)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(dòng)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(gè) 160 針 FMC 連接器、一個(gè) 12 VDC 電源（可進(jìn)一步調(diào)節(jié)并為其他電路板分區(qū)）、一個(gè) Blackfin 處理器（具有用于代碼和內(nèi)容保護(hù)的硬件安全功能）、一個(gè) USB 端口和一個(gè) Spartan-6 FPGA。

性能即證明

評(píng)估精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能并非易事，因?yàn)閮x表、測(cè)試布局和標(biāo)準(zhǔn)都非常關(guān)鍵。雖然許多動(dòng)態(tài)參數(shù)與 DAQ 系統(tǒng)的性能有關(guān)，但最能說(shuō)明問(wèn)題的是動(dòng)態(tài)范圍、信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD)。

動(dòng)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(jì)的典型動(dòng)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(cè)量結(jié)果得到進(jìn)一步改善，最高分別達(dá)到 123 dB 和 130 dB。

圖 6：根據(jù)增益和其他設(shè)置，整個(gè)電路和信號(hào)鏈的動(dòng)態(tài)范圍約為 100 dB，表明這是一個(gè)高性能 DAQ 系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

SNR 是均方根信號(hào)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?？傊C波失真 (THD) 是基波信號(hào)均方根值與其諧波 RSS 平均值之比。

這種設(shè)計(jì)的信噪比和總諧波失真 (THD) 顯然具有很高的性能，因?yàn)樾盘?hào)鏈的最大信噪比達(dá)到 98 dB（圖 7（左）），總諧波失真達(dá)到 -118 dB（圖 7（右）），具體取決于增益設(shè)置。

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

結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)和實(shí)施隔離式精密信號(hào)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(xiàng)重要的設(shè)計(jì)和實(shí)施工作。幸運(yùn)的是，通過(guò)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(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。通過(guò)使用 Analog Devices 的先進(jìn)器件（從基本運(yùn)算放大器到高級(jí)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