Använd isolering för att bevara noggrannheten och förbättra prestandan vid datainsamling

I takt med att intelligensen för att lösa nya och komplexa problem flyttas till molnkanten blir det allt viktigare att säkerställa tillförlitligheten, noggrannheten och prestandan vid datainsamling (DAQ). Detta kräver att konstruktörer tillhandahåller en isolerad och noggrann signalkedja mellan den insamlade signalen och systemets processor.

Det är en utmanande uppgift att säkerställa isoleringen av analoga signaler i en noggrann mätkedja. Det krävs särskild uppmärksamhet på detaljer för att bibehålla signalkedjans prestanda utan hänsyn tagen till signalstörande faktorer och oundvikliga temperaturavvikelser. För många konstruktörer kan en bättre förståelse för de invecklade frågorna göra det lättare att välja och använda lämplig isoleringsteknik.

Artikeln diskuterar de olika frågor som är förknippade med utveckling och optimering av ett avancerat isolerat datainsamlingssystem, där "avancerad" omfattar egenskaper som precision, noggrannhet, signalintegritet och prestanda. Därefter visas datainsamlinglösningar för signalkedjor från Analog Devices och hur de kan användas för att skapa ett sådant system.

Optimering av respektive funktionsblock

Ett typiskt datainsamlingssystem består av en uppsättning funktionsblock som gör det möjligt för signalen att passera från det fysiska systemet via en givare. Därifrån går signalen vidare till en analog frontend (AFE) för signalbehandling, en analog- till digitalomvandlare (ADC) för digitalisering och därefter till en datorbaserad avläsning eller styrenhet (som kan vara allt från en microcontroller till ett mycket större system (figur 1)).

Figur 1: Ett datainsamlingssystem består av en väl definierad linjär signalkedja, från det uppmätta fysiska systemet och givare till värdprocessorn. (Bildkälla: Bill Schweber)

Det viktigaste för att uppnå noggrannhet och exakthet vid datainsamling är att välja signalbehandlingskomponenter för frontend, och då särskilt omvandlarens förförstärkare. Lågt brus är en av många viktiga faktorer för funktionen eftersom internt brus är svårt att reducera senare i konstruktionen och kommer att förstärkas tillsammans med den önskade signalen. Här fastställs ett grundläggande signal-brusförhållande (SNR) som oundvikligen försämras ytterligare när signalen passerar genom flera steg.

Därför använder analog frontend ofta en brusoptimerad operationsförstärkare för en enda funktion. Ett bra val av förförstärkare för frontend är ADA4627-1BRZ-R7 från Analog Devices, en JFET-operationsförstärkare med låg förspänning, hög hastighet och lågt brus för 30 V (±15 V dubbelmatning). Bland dess många specifikationer optimerade för givare märks en låg offsetspänning på 200 µV (max), en offsetavvikelse på 1 μV/°C (typiskt) och en biasström för ingången på 5 pA (max). Specifikationen för kritiskt spänningsbrus är 6,1 nV/√Hz vid 1 kHz (figur 2).

Figur 2: JFET-operationsförstärkaren ADA4627 har ett spänningsbrus på 6,1 nV/√Hz (1 kHz). (Bildkälla: Analog Devices)

Isolering har flera fördelar

När signalen har förstärkts och digitaliserats är nästa steg att skapa en galvanisk isolering mellan signalen och systemets digitala sektion och tillhörande processor. Det finns tre huvudsakliga skäl till detta:

1. Minskning av brus och störningar: Galvanisk isolering kan eliminera variationer i spänningar för common-mode, jordslingor och elektromagnetiska störningar (EMI). Den förhindrar även att externa bruskällor förstör den insamlade signalen, vilket ger renare och mer exakta mätningar.
2. Eliminering av jordslingor: Jordslingor kan ge spänningsskillnader som förvränger den uppmätta signalen. Isoleringen bryter jordslingan och tar därmed bort störningar som orsakas av variationer i jordpotentialen och förbättrar mätningarnas noggrannhet.
3. Säkerhet och skydd: Isoleringsbarriärer skyddar elektriskt då de förhindrar att farliga spänningstoppar, transienter eller överspänningar når känsliga mätkomponenter. Det skyddar mätkretsarna och de anslutna enheterna, vilket garanterar en säker och tillförlitlig drift. Dessutom eliminerar barriärerna den elektriska risken för användare även om lågnivågivaren kortvarigt skulle råka nudda en högspännings- eller växelströmsledning.

Det finns flera olika isoleringstekniker för digitala signaler som bygger på principer som t ex magnetism, optik, kapacitivitet och till och med radiofrekvenser (RF). Analog Devices har flertalet lösningar med hög prestanda, bland annat den digitala isolatorn ADUM152N1BRZ-RL7 med fem kanaler som bygger på deras egenutvecklade teknik iCoupler (figur 3).

Figur 3: Den digitala isolatorn ADuM152N med fem kanaler använder en egenutvecklad magnetisk koppling för att uppnå hög prestanda. (Bildkälla: Analog Devices)

Isolatorerna kombinerar CMOS-kretsar för höga hastigheter och monolitisk transformatorteknik med luftkärna. För att säkerställa prestanda som motsvarar behoven hos digitala länkar med höga hastigheter är den maximala fördröjningen 13 ns med en pulsbreddsdistorsion på mindre än 4,5 ns vid 5 V, och fördröjningens överensstämmelse av kanal till kanal är snäv vid 4 ns (max). En liknande version med två kanaler, ADUM120N1BRZ-RL7, finns tillgänglig så att det totala antalet isolerade kanaler kan anpassas till bussbredden.

Isolatorerna är optimerade för prestanda med höga hastigheter och en garanterad datahastighet på 150 Mbit/s. De har en hög immunitet mot transienta övergångar i common-mode (CMTI) på 100 kV/μs, en märkspänning på 3 kV rms (roten ur medelvärdet) och uppfyller alla relevanta bestämmelser.

Isolering av signalen är bara en del av den övergripande isoleringen. Mätsystemets samtliga likströmsmatningar måste även vara isolerade. Detta sker oftast med en transformator som isolerande element.

Om den primära strömkällan redan använder växelström leds den genom transformatorn för att sedan likriktas och regleras. Om strömkällan är likström måste den först omvandlas till en växelströmsliknande vågform. Detta förenklas avsevärt med hjälp av komponenter som t ex LT3999, en drivkrets med lågt brus för DC/DC, 1 A, 50 till 1 MHz.

Ett komplett datainsamlingssystem med hög prestanda kräver ytterligare kärn- och kringkomponenter. Utformningen och placeringen måste säkerställa korrekt mätning och dataintegritet. Förutom förstärkare och isoleringsbarriärer innehåller en noggrann signalkedja vanligtvis filterdelar, en högupplöst analog- till digitalomvandlare och switchar. Komponenterna kombineras för att minimera brus och störningar och för att skapa en korrekt signalåtergivning.

Skapa den kompletta lösningen

Ett exempel på en isolerad signalkedja som använder dessa huvudkomponenter är ADSKPMB10-EV-FMCZ, en precisionsplattform som implementerar ett helt isolerat datainsamlingssystem för en kanal med låg latens (figur 4). Lösningen kombinerar en instrumentförstärkare med programmerbar förstärkning (PGIA) av signalbehandlingen för att hantera känsligheten hos de olika givargränssnitten med digital isolering och effektisolering på ett kompakt kretskort.

Figur 4: ADKSPMB10-EV-FMCZ är en precisionsplattform som implementerar ett helt isolerat datainsamlingssystem med en kanal och låg latens. Ett överföringskort för PMOD till FMC (enheten i mitten) isolerar och tillför andra funktioner. (Bildkälla: Analog Devices)

Av utvärderingsskäl är den konfigurerad som en lösning med flera kretskort bestående av ADSKPMB10-EV-FMCZ i PMOD-format (figur 5) tillsammans med gränssnittskortet EVAL-SDP-CH1Z för SDP-kortet (system demonstration platform). Mellan dessa två kort finns ett helt isolerat överföringskort för PMOD till FMC.

Figur 5: ADSKPMB10-EV-FMCZ (vänster) ansluts till gränssnittskortet för SDP (visas ej) via överföringskortet för PMOD till FMC (höger). Överföringskortets vertikala delningszon visar var isoleringsbarriären är implementerad. (Bildkälla: Analog Devices)

ADSKPMB10-EV-FMCZ har en diskret instrumentförstärkare med programmerbar förstärkning som bygger på operationsförstärkaren ADA4627-1. Instrumentförstärkaren med programmerbar förstärkning har den höga ingångsimpedans som krävs för att stödja direkt anslutning till en mängd olika givare. Modulen har även ett noggrant fyrdubbelt matchat resistornätverk för justering av förstärkning, en multiplexer med fyrdubbla kanaler och en drivkrets för analog- till digitalomvandling med helt differentiell förstärkare för ADAQ4003. ADAQ4003 är ett delsystem för analog- till digitalomvandling och datainsamling med 2 MSPS, implementerat som en μModule.

Modulen är mer än bara en högupplöst analog- till digitalomvandlare. ADAQ4003 innehåller flera olika tekniker för brusreducering som gör det möjligt att samla in signaler med hög kvalitet. Till exempel placeras ett enpoligt lågpassfilter (RC) mellan utgången på analog- till digitalomvandlarens drivkrets och analog- till digitalomvandlarens ingångar i μModulen för att eliminera brus vid höga frekvenser och minska laddningsresponsen från ingången till den interna analog- till digitalomvandlaren.

Dessutom säkerställer layouten för μModulen att de analoga och digitala signalvägarna är separerade för att undvika att de korsar varandra och minimerar mängden utstrålat brus.

Det helt isolerade övergångskortet för PMOD till FMC innehåller DC/DC-styrkretsen LT3999, digitala isolatorer för fem och två kanaler, en LDO (regulator med lågt spänningsfall) med lågt brus och en LDO med mycket lågt brus. Övergångskortet fungerar som en brygga och ansluts till gränssnittskortet för SDP.

Gränssnittskortet för SDP utför bearbetning, hantering och anslutning efter datainsamling. Kortet har en FMC-kontakt med 160 stift, en strömförsörjning för 12 V_DC, som regleras ytterligare och delas upp för de andra korten, en Blackfin-processor med hårdvaruaktiverad säkerhet för kod- och innehållsskydd, en USB-port och en FPGA med Spartan-6.

Beviset ligger i prestandan

Att bedöma prestandan hos ett noggrant datainsamlingssystem är inte en vanlig process eftersom instrumentering, testuppsättning och mätvärden är avgörande. Många dynamiska parametrar korrelerar med datainsamlingssystemens prestanda, men de mest avslöjande är dynamiskt omfång, signal-brusförhållande och total harmonisk distorsion (THD).

Dynamiskt omfång är intervallet mellan en enhets lägsta brusnivå och dess specificerade maximala uteffekt.

Konstruktionens typiska dynamiska omfång på 93 dB vid högsta förstärkningsinställning och 100 dB vid lägsta förstärkningsinställning är imponerande (figur 6). Genom att öka förhållandet för översamplingen till faktor 1024× förbättras mätningen ytterligare och når ett maximum på 123 respektive 130 dB.

Figur 6: Det dynamiska området på ca 100 dB för hela kretsen och signalkedjan, beroende på förstärkning och andra inställningar, tyder på ett datainsamlingssystem med hög prestanda. (Bildkälla: Analog Devices)

Signal-brusförhållandet är förhållandet mellan rms-signalens amplitud och medelvärdet av RSS (root-sum-square) för alla andra spektrala komponenter, exklusive övertoner och likström. Total harmonisk distorsion (THD) är förhållandet mellan grundsignalens rms-värde och medelvärdet av RSS för dess övertoner.

Signal-brusförhållandet och total harmonisk distorsion för konstruktionen är klart högeffektiv, eftersom signalkedjan uppnår ett maximalt signal-brusförhållande på 98 dB (figur 7 (vänster)) och en total harmonisk distorsion på -118 dB (figur 7 (höger)), beroende på inställningarna för förstärkningen.

Figur 7: Tillsammans med det dynamiska området ger det höga signal-brusförhållandet (vänster) och den låga totala harmoniska distorsionen (höger) konkreta bevis på överlägsen prestanda för analog datainsamling. (Bildkälla: Analog Devices)

Sammanfattning

Att utforma och implementera en isolerad noggrann signalkedja som bevarar noggrannheten, minimerar brus och störningar och säkerställer dataintegriteten är ett betydande konstruktions- och implementeringsarbete. Lyckligtvis kan detta uppnås genom insiktsfull användning av precisionsförstärkning, isoleringstekniker, analog- till digitalomvandlare och moduler med hög upplösning samt strömhantering med lågt brus för att möjliggöra exakta mätningar, även i elektriskt utmanande miljöer. Detta möjliggörs genom användning av avancerade komponenter från Analog Devices, allt från enkla operationsförstärkare till avancerade isoleringsenheter, med stöd av nödvändiga kringfunktioner tillsammans med detaljerade datablad och tillämpningsanvisningar.