Designa front-end för industriellt avkänningssystem med hög precision

Industri- och processtyrningstillämpningar samlar in omfattande och exakta data för temperatur, tryck och spänning för uppströms beslutsfattande. Utmaningen för designers är att de här tillämpningarna kräver flera högprecisionskanaler som kan hålla hög noggrannhet i frekvensdomänen.

I den här artikeln diskuteras huvudkomponenter och parameterkrav för en industriell front-end för avkänning och signalomvandling med hög precision och höga prestanda. Då brus är en avgörande faktor när det gäller precision löser den lämpliga slutlösningen brusproblem.

Systemöversikt

Ett 18-bitars industriellt front-end-system för avkänning med hög precision bör bestå av en kostnadseffektiv, isolerad, flerkanalig datainsamlingsstruktur (DAQ) som kan hantera industriella signalnivåer. Från ingång till utgång – den flerkanaliga kretsen med hög precision som beskrivs börjar med en multiplexer med åtta ingångar, konfigurerbar till enpoliga kanaler eller differentialingångskanaler (figur 1). De här multiplexeringångarna får olika sensorinmatningar för processtyrning, till exempel sådana från temperatur- och trycksensorer samt optiska sensorer.

Figur 1: En flerkanalig högprecisionskrets med åtta ingångar för flera sensoringångar börjar med en ingångsmultiplexer konfigurerbar till enpoliga kanaler och differentialingångskanaler. (Bildkälla: Bonnie Baker)

I figur 1 följer en instrumenteringsförstärkare med programmeringsförstärkning (PGIA), som benämns "PGA", ingångsmultiplexern med liknande ingångs- och utgångskapacitet för spänningssväng. Både multiplexer- och PGIA-stegen kan hantera hög inspänning upp till ±10 volt.

Common-mode-spänningen och den breda spänningsutgångssvängen i PGIA är inte konsekvent med ingångsomfånget med enkelmatning för 18-bitars analog-till-digitalomvandlaren (ADC). För att förbereda signalspänningsintervallet för ADC kräver systemet en trattförstärkare. Trattförstärkaren har tre funktioner: signalnivåskiftning, omvandling från enpoligt till differential och dämpning för att möta ingångskraven för den enkelmatade 18-bitars-ADC:n.

Efter 18-bitars-ADC:n ger en digital isolator galvanisk isolering. Den här typen av isolering tillåter olika common-mode-spänning mellan varje sida utan störning av signalåtergivningen.

Kretsinformation

Så här långt har alltså det isolerade flerkanaliga DAQ-systemet en multiplexer, PGIA-steg, ADC-drivenhet och en fullständigt differentiell analog-till-digitalomvandlare med successivt approximationsregister (SAR-ADC) och hög precision. Systemet övervakar åtta kanaler med hjälp av en enda ADC. Men ADC-drivenheterna och ADC:n är de primära brusskaparna (figur 2).

Figur 2: Schema för ett isolerat flerkanaligt DAQ-system med 18-bitars ADC. ADC-drivenheterna och ADC:n är de primära brusskaparna. (Bildkälla: Analog Devices)

Brusnivån är en specifikation som styr vilka typer av komponenter som passar i den här tillämpningskretsen.

Välja rätt komponenter

I figur 2 är ingångsmultiplexern Analog Devices ADG5207BCPZ-RL7, en latch-up-säker, 8-kanalig differentialmultiplexer med hög spänning och med ultralåg kapacitans på 3,5 pikofarad (pF) och laddningsinjicering på 0,35 pikocoulomb (pC). Den här låga laddningsinjiceringen gör de här omkopplarna idealiska för sample-and-Hold-DAQ-kretsar som kräver låg felgrad och korta inställningstider. ADG5207 kan konfigureras att ta emot både enpoliga och differentiella insignaler. CPLD-enheten (Complex Programmable Logic Device) som visas i kretsen väljer ADG5207:s aktiva kanal genom att använda dess adresstift.

PGIA är Analog Devices AD8251ARMZ-R7. Den här enheten har valbara förstärkningar: 1, 2, 4 och 8. Till följd av det ger den fullständigt differentiella trattförstärkaren med valbar förstärkning, Analog Devices AD8475ACPZ-R7, en nivåskiftning för en common-mode-spänning på 2,048 volt och förstärkningsinställningar på 0,4 och 0,8. AD8475 har en låg spektrumtäthet för utgångsbrus på 10 nanovolt per kvadratrot-hertz (nV/√Hz). PGIA- och trattförstärkarens förstärkning kombineras för att ge lämplig fullskaliga insignaler till Analog Devices AD4003BCPZ-RL7 18-bitars SAR-ADC (tabell 1).

Tabell 1: In- och utspänningsomfånget motsvarande fyra förstärkningskonfigurationer för PGIA-förstärkaren AD8251. PGIA-förstärkaren och AD8475-trattförstärkarens förstärkning kombineras för att ge lämplig fullskaliga insignaler till AD4003BCPZ-RL7 18-bitars SAR-ADC. (Tabellkälla: Bonnie Baker)

AD4003BCPZ-RL7 är en fullständigt differentiell 18-bitars SAR-ADC med 2 megasample/sekund (MSPS) med hög precision som har ett typiskt signal-brusförhållande (SNR) på 98 decibel (dB) för en 4,096-voltsreferens.

Systembrusanalys

På grund av dess påverkan på precisionen måste brus beaktas noga vid designen av precisions-DAQ med högre hastighet. Brus är ett fenomen i frekvensdomänen som påverkar både AC- och DC-precisionen för ADC:ns digitala utgång. Brus är en slumpmässig händelse: det är möjligt att en krets med högt brus ger det absolut korrekta resultatet för en enkel omvandling, och med nästa omvandling skapar ett helt felaktigt resultat. Utmaningen för designers är att fastställa vad som är ett acceptabelt brus för alla enheter i kretsen.

Det kvadratiska medelvärdet (RMS) för det totala systembruset är lika med den kvadratsumman för alla enheter i kretsen refererat till inmatningen för AD4003-ADC:n och beräknas med ekvation 1:

Ekvation 1

Där:

V_nADG5207 = brusbidrag i RMS för ADG5207-multiplexer

V_nAD8251 = brusbidrag i RMS för AD8251-multiplexer

V_nAD8475 = brusbidrag i RMS för AD8475-trattförstärkare

V_nAD4003 = brusbidrag i RMS för AD4003 18-bitars ADC

Beräknat system-SNR i RMS använder AD4003:s fullskaliga ingångsomfång eller V_REF, och beräknas med ekvation 2:

Ekvation 2

Brus från AD4003-ADC: Bruset från AD4003-ADC är en funktion för omvandlarens kvantiseringsfel och interna värmebrus. Beräkningen av AD4003:s inspänningsbrus i RMS använder den fullskaliga inspänningen (V_REF) och drift-SNR, per ekvation 3:

Ekvation 3

Databladspecikationen för AD4003:s SNR med V_REF lika med 4,096 volt är cirka 98 dB.

Brus från AD8475-trattförstärkare: Utgångsbruset från AD8475 i RMS är en kombination av förstärkarens spektrumbrustäthet (𝜖�_AD8475) vid 1 kilohertz (kHz) och bandbreddsgränsen för förstärkarkretsen. AD8475-bandbredden med en förstärkning på 0,4 V/V är lika med 150 megahertz (MHz). Hörnfrekvens på 3 dB för följande resistorkondensatorfilter (RC) är 6,63 MHz. Kombinationen av AD8475 och utgångs-RC-filtret skapar en bandbreddsgräns på 6,63 MHz, per ekvation 4:

Ekvation 4

Där:

𝜖�_AD8475 = 10 nV/√Hz.

R = 200 Ohm (Ω)

C = 120 pF

BW_RC = 1 / (2xp x R x C) ~ 6,63 MHz

Brus från AD8251-PGIA: RMS-brusbidraget för AD8251 är en funktion för dess refererade ingång AD8251, 1 kHz punktbrus (𝜖�_AD8251) med enheterna nV/√Hz, dess förstärkningsinställning (G_AD8251), förstärkningen hos AD8475 (G_AD8475) och brusfilterbandbredden vid ingången för AD4003 (BW_RC). Det beräknas med ekvation 5

Ekvation 5

Värdet för 𝜖�_AD8251 är lika med 40 nV/√Hz för en förstärkning på 1 V/V och 18 nV/√Hz för en förstärkning på 8 V/V.

Brus från ADG5207-multiplexer: Johnson-Nyquist-brusekvationen ger multiplexerns spektrumtäthet för brus och det resulterande RMS-bruset, ekvation 6:

Ekvation 6

Där:

k_B = Boltzmanns konstant = 1,38 x 10^-23

T = temperatur i Kelvin

R_ON = multiplexer "på"-motstånd (per ADG5207-databladet)

Användningen av den här formeln (ekvation 6) är lämplig eftersom multiplexern fungerar som ett seriemotstånd.

Multiplexerns spektrumtäthetsvärde (ϵ_nADG5207) ger ADG5207:s brusbidrag i RMS med ekvation 7:

Ekvation 7

Sammanfattning av brusanalys

De totala beräknade brusbidragen för varje komponent i figur 2 och resulterande SNR för en ackumulerad förstärkning på 3,2 är 84,7 dB. De mest betydande bidragsgivarna till det totala bruset är AD8251-PGIA och AD4003-ADC (tabell 2).

Tabell 2: Beräknad SNR-prestanda för flerkanaligt DAQ-system för en ackumulerad förstärkning på 3,2 är 84,7 dB. (Datakälla: Analog Devices)

Kretsutvärdering och provning

För att utvärdera och prova kretsen kan designers använda kretsutvärderingssatsen EVAL-CN0385-FMCZ, som innehåller kretsen i figur 2 (figur 3).

Figur 3: Utvärderingskortet EVAL-CN0385-FMCZ kan användas till att experimentera med front-end-designen av DAQ som beskrivs i den här artikeln. (Bildkälla: Analog Devices)

Designsupportpaketet CN-0385 innehåller ett komplett kretsschema och layoutsupportmaterial. Utvärderingssatsen innehåller även styrkortet EVAL-SDP-CH1Z för att underlätta datafångst (figur 4).

Figur 4: Funktionslayout för testuppställning för att utvärdera DAQ-front-end. (Bildkälla: Analog Devices)

Prestandaresultatet för EVAL-CN0385-FMCZ-kortet visar värden med nära matchning av brusberäkningarna (tabell 3).

Tabell 3: SNR, brus och total harmonisk distorsion (THD) för EVAL-CN0385-FMCZ-kortet för en 10 kHz fullskalig sinusvåginmatning för ackumulerad förstärkning på 0,4, 0,8, 1,6 och 3,2. (Datakälla: Analog Devices)

En Audio Precision SYS-2700 genererade signalen till ett differentialingångsläge. FFT-diagram (Fast Fourier-transformation) med 10 kHz ingångssignal visas (figur 5, 6, 7 och 8).

Figur 5: FFT för 10 kHz, 20 volt p-p-inspänning för förstärkning = 0,4 på enkel, statisk kanal. (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 6: FFT för 10 kHz, 10 volt p-p-inspänning för förstärkning = 0,8 på enkel, statisk kanal. (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 7: FFT för 10 kHz, 5 volt p-p-inspänning för förstärkning = 1,6 på enkel, statisk kanal. (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 8: FFT för 10 kHz, 2,5 volt p-p-inspänning för förstärkning = 3,2 på enkel, statisk kanal. (Bildkälla: Analog Devices)

Som visas av diagrammen ligger prestandan för ADG5207-, AD8251-, AD8475- och AD4003-signalkedjan inuti EVAL-CN0385-FMCZ-utvärderingskortet mycket nära tidigare beräkningar.

Slutsats

I industri- och processtyrningsmiljöer finns omfattande datainsamlingsaktiviteter, inklusive insamling av exakta data för temperatur, tryck och spänning. De här tillämpningarna kräver multiplexade högprecisionskanaler och att hålla hög noggrannhet med lågt brus i i frekvensdomänen. Den idealiska analoga front-end har en multiplexer, PGIA och en 18-bitars, 2,0 MSPS precisions-ADC. ADC:n provar signalen från den aktiva multiplexerkanalen. Den här artikeln ger exakta beräkningar och kompletterande provdata för en lämplig krets. Provresultatet visar att den faktiska prestandan för ADG5207-, AD8251-, AD8475- och AD4003-signalkedjan inuti EVAL-CN0385-FMCZ-utvärderingskortet ligger mycket nära tidigare beräkningar.