利用隔離式精密信號(hào)鏈保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度

數(shù)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(yīng)對(duì)全新的復(fù)雜挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)成為了邊緣智能的核心。在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，準(zhǔn)確度和可靠性至關(guān)重要。為確保達(dá)到高準(zhǔn)確度和完整性，隔離式精密信號(hào)鏈的重要性不容忽視。

了解隔離式精密信號(hào)鏈

隔離式精密信號(hào)鏈指的是一種旨在精密準(zhǔn)確地采集和處理信號(hào)，同時(shí)與周圍環(huán)境保持電氣隔離的系統(tǒng)或電路。隔離通常是一系列信號(hào)調(diào)理級(jí)的一部分，主要有兩個(gè)作用：確保安全性和數(shù)據(jù)完整性。隔離還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

減少噪聲和干擾：信號(hào)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(hào)，確保測(cè)量結(jié)果更干凈、更準(zhǔn)確。

消除接地環(huán)路：接地環(huán)路可能會(huì)引入電壓差，使測(cè)量信號(hào)失真。隔離技術(shù)能夠斷開接地環(huán)路，有效消除地電位變化引起的干擾，從而提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

安全和保護(hù)：隔離柵能夠防止危險(xiǎn)的電壓尖峰、瞬變或浪涌到達(dá)敏感的測(cè)量元器件，從而確保電氣安全。這能夠保護(hù)測(cè)量電路和相連器件，進(jìn)而讓系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。除了電路保護(hù)之外，隔離還有助于保護(hù)在系統(tǒng)上工作的最終用戶和設(shè)計(jì)人員，避免其遭遇電氣危險(xiǎn)。

此外，隔離式精密信號(hào)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(cè)量和數(shù)據(jù)完整性。隔離式精密信號(hào)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(shù)轉(zhuǎn)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(zhǔn)確的表現(xiàn)信號(hào)。圖1為采用這些關(guān)鍵元器件的隔離式精密信號(hào)鏈的示例。該精密平臺(tái)是一個(gè)單通道、完全隔離、低延遲的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此解決方案將PGIA信號(hào)調(diào)理、數(shù)字和電源隔離集成到了一個(gè)緊湊的電路板內(nèi)。接下來(lái)的內(nèi)容將詳細(xì)討論每個(gè)模塊，包括其相應(yīng)的性能以及與非隔離模塊相比的優(yōu)勢(shì)。

圖1. 單通道、完全隔離、低延遲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADSKPMB10-EV-FMCZ的簡(jiǎn)化框圖

數(shù)據(jù)和電源隔離

Pmod至FMC轉(zhuǎn)接板裝有數(shù)據(jù)隔離器、穩(wěn)壓器和變壓器，用以實(shí)現(xiàn)電氣隔離。電氣隔離是一種分離電路以消除雜散電流的設(shè)計(jì)技術(shù)，有助于在電氣隔離的電路之間傳遞信號(hào)，并阻擋雜散電流（例如由地電位差或交流電源引入的電流）。

首先，通過(guò) ADuM152N 和 ADuM120N 3 kV rms數(shù)據(jù)隔離器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離。這些數(shù)據(jù)隔離器的共模瞬變抗擾度(CMTI)較高，對(duì)輻射和傳導(dǎo)噪聲具有很強(qiáng)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(yán)格，最大值分別為4.0 ns和3.0 ns。

其次，隔離式精密信號(hào)鏈需要一套滿足信號(hào)鏈要求的隔離電源電路。隔離電源電路不應(yīng)影響精密信號(hào)鏈的性能。設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器是用于電源隔離的不錯(cuò)之選，其中內(nèi)置限流值可編程的1 A雙通道開關(guān)，開關(guān)頻率可在50 kHz至1 MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（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?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于設(shè)計(jì)和實(shí)施，僅使用少量元件，并且得益于其固有的對(duì)稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工作時(shí)的電磁輻射騷擾非常低。

如圖2所示，參考平臺(tái)上的電源電路設(shè)計(jì)，使得FMC連接器的12 V電壓可以作為數(shù)據(jù)采集板所需的電源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)隔離。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，電路上的LT3999驅(qū)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(tái)隔離電源電路框圖

LT3999電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生未經(jīng)穩(wěn)壓處理的輸出電壓。該輸出電壓隨著負(fù)載的增加而下降，如圖3所示。

圖3. LT3999推挽轉(zhuǎn)換器輸出電壓調(diào)節(jié)

參考平臺(tái)可選配一個(gè)低壓差后級(jí)線性穩(wěn)壓器( (ADP7105) ，以便在需要時(shí)提供穩(wěn)定的3.3 V輸出。因此，通過(guò)轉(zhuǎn)接板對(duì)整個(gè)測(cè)量或數(shù)據(jù)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(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、高效的測(cè)量電路隔離方法。

保持準(zhǔn)確度

除了實(shí)施隔離技術(shù)外，信號(hào)鏈內(nèi)部的模塊也必須嚴(yán)格匹配。每個(gè)元器件都會(huì)影響整個(gè)信號(hào)鏈的性能，這對(duì)于保持整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度至關(guān)重要。

精密放大器兼具高準(zhǔn)確度、低噪聲和低失調(diào)電壓等特點(diǎn)，能夠提供精確的信號(hào)調(diào)理和放大功能，確保真實(shí)地呈現(xiàn)所采集的信號(hào)，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(hào)，只允許所 需的信號(hào)通過(guò)信號(hào)鏈。這進(jìn)一步提高了測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確度和完整性。最后，使用高分辨率ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)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?qū)δM信號(hào)進(jìn)行精確的數(shù)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(xiàn)參考平臺(tái)所需的性能。

具體來(lái)說(shuō)，參考平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)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(yùn)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(fù)用器

ADAQ4003的內(nèi)部全差分放大器(FDA) ADC驅(qū)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(yīng)不同的輸入信號(hào)幅度（單極性或雙極性和單端或差分信號(hào)，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(shù)據(jù)采集解決方案ADAQ4003配合使用。圖4為該參考平臺(tái)的整個(gè)信號(hào)鏈。

圖4. 精密中等帶寬信號(hào)鏈

為了驗(yàn)證參考平臺(tái)的靜態(tài)性能，我們分別測(cè)量了積分非線性(INL)和差分非線性(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，這意味著無(wú)失碼的單調(diào)轉(zhuǎn)換函數(shù)。同時(shí)，INL誤差的典型偏差為±2.097 LSB，呈現(xiàn)明顯的S形，表明奇次諧波占絕對(duì)主導(dǎo)地位。這些圖形表明，整個(gè)信號(hào)鏈具有了足夠高的線性度。

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(hào)鏈中采用精密放大器、信號(hào)調(diào)理技術(shù)和高分辨率ADC，能夠有效降低信號(hào)失真、偏移和非線性，從而實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度測(cè)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(yīng)，從而確保測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)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(shù)據(jù)采集中常見的挑戰(zhàn)。隔離式精密信號(hào)鏈通過(guò)采用穩(wěn)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(hào)捕獲。

具體來(lái)說(shuō)，μModule器件內(nèi)部的ADC驅(qū)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)自內(nèi)部SAR ADC輸入的電荷反沖；(3)盡可能提高建立時(shí)間和輸入信號(hào)帶寬5。μModule器件的布局還確保了模擬和數(shù)字路徑分離，從而避免這些信號(hào)交越，減輕輻射噪聲。

許多動(dòng)態(tài)參數(shù)都會(huì)影響到特定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，本文僅討 論其中三個(gè)。

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(duì)于確定不受噪聲影響的最小電壓增量至關(guān)重要。該參數(shù)使用5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行測(cè)試，輸入短接到地，輸出數(shù)據(jù)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(shè)置下的典型值為93 dB；最低增益設(shè)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(cè)量結(jié)果，最大值分別達(dá)到123 dB和130 dB。

圖7. 動(dòng)態(tài)范圍

使用式1中的公式求解折合到輸出端的等效總噪聲，結(jié)果低至1.12 μV rms（OSR = 1024×，最低增益設(shè)置）。因此，動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量結(jié)果較大，意味著整體系統(tǒng)噪聲較低。

類似地，在器件的反相和同相輸入端施加-0.5 dBFS正弦信號(hào)，測(cè)量信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等參數(shù)。首先，SNR是指均方根信號(hào)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。式2有助于更好地理解此參數(shù)。

另一方面，總諧波失真是指基波信號(hào)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，如式3所示。

圖8和圖9顯示了不同增益設(shè)置下的SNR和THD值。整個(gè)信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)了最大98 dB的SNR和-118 dB的THD。不過(guò)，這些參數(shù)在高輸入頻率和高增益設(shè)置下會(huì)變差。圖10也顯示了一個(gè)FFT示例。隔離信號(hào)鏈的本底噪聲平坦，約為滿量程以下140 dB，雜散信號(hào)埋在其下方。這表明，與等效的非隔離信號(hào)鏈相比，隔離信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)了一致的信號(hào)完整性和噪聲性能。

圖8. SNR

圖9. THD

圖10. 單次捕獲FFT，全差分輸入，-0.5 dBFS，1 kHz正弦波

應(yīng)用和影響

隔離式精密信號(hào)鏈的影響遍及各行各業(yè)和各種應(yīng)用。在物理、化學(xué)和生物等領(lǐng)域的科學(xué)研究中，準(zhǔn)確度和可重復(fù)性的要求非常高，而隔離式精密信號(hào)鏈有助于實(shí)現(xiàn)精確測(cè)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(jiān)測(cè)和設(shè)備診斷準(zhǔn)確無(wú) 誤。在醫(yī)療應(yīng)用方面，它支持精確監(jiān)測(cè)生理信號(hào)并進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。其影響還延伸到了環(huán)境監(jiān)測(cè)、能源管理和電信等領(lǐng)域，因?yàn)榭煽康臄?shù)據(jù)采集對(duì)于該領(lǐng)域的決策和優(yōu)化至關(guān)重要。

浮動(dòng)DAQ系統(tǒng)

浮動(dòng)DAQ系統(tǒng)非常適合用于電子測(cè)試和測(cè)量(ETM)應(yīng)用。常見的電壓測(cè)量涉及兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)：高電位和低電位/零電位（稱為接地）。然而，使用接地作為基準(zhǔn)會(huì)使高壓測(cè)量變得危險(xiǎn)。具有高共模電壓的信號(hào)會(huì)損害信號(hào)鏈中的元器件，進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和數(shù)據(jù)損壞。高電壓也會(huì)對(duì)使用設(shè)備的人員造成危險(xiǎn)。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(tǒng)，令人十分擔(dān)憂。

浮動(dòng)DAQ通過(guò)單獨(dú)的基準(zhǔn)浮動(dòng)接地點(diǎn)解決了上述風(fēng)險(xiǎn)。浮動(dòng)測(cè)量能夠縮短信號(hào)傳輸?shù)讲杉c(diǎn)的路徑，同時(shí)允許采集帶有共模電壓的信號(hào)。在圖11中可以看到電路板上的不同接地引腳。

圖11. 具有多個(gè)浮動(dòng)接地參考點(diǎn)的ADSKPMB10-EV-FMCZ板

結(jié)論

隔離式精密信號(hào)鏈對(duì)數(shù)據(jù)采集至關(guān)重要，能夠保持準(zhǔn)確度、盡量減少噪聲和干擾并確保數(shù)據(jù)完整性。結(jié)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(xiàn)精確測(cè)量。隔離式精密信號(hào)鏈影響 著各行各業(yè)，推動(dòng)了科學(xué)研究、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的進(jìn)步。隨著社會(huì)越來(lái)越重視準(zhǔn)確、可靠地采集數(shù)據(jù)，隔離式精密信號(hào)鏈的重要性日益顯著，不僅驅(qū)動(dòng)著技術(shù)創(chuàng)新，更充分釋放了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的潛力。