Ontwerp een industrieel front-end detectiesysteem met hoge precisie

Industriële en procesbesturingstoepassingen verzamelen grote hoeveelheden precieze gegevens met betrekking tot temperatuur, druk en spanning voor stroomopwaartse besluitvorming. De uitdaging voor ontwerpers is dat voor deze toepassingen meerdere kanalen met hoge precisie nodig zijn die een hoge nauwkeurigheid kunnen behouden in het frequentiedomein.

In dit artikel worden de belangrijkste componenten en parametrische eisen van een nauwkeurige, industriële detectie- en signaalomvormings front-end met hoge prestaties besproken. Omdat ruis een bepalende factor is voor de nauwkeurigheid, moet de best geschikte oplossing ervoor zorgen dat ruisproblemen worden opgelost.

Systeemoverzicht

Een industrieel 18-bits front-end detectiesysteem met hoge precisie moet een kosteneffectieve, geïsoleerde, multikanaals data-acquisitiestructuur (DAQ) bevatten die industriële signaalniveaus kan beheren. Van ingang tot uitgang start de multikanaals schakeling met hoge precisie die hier wordt beschreven met een multiplexer met acht ingangen die kan worden geconfigureerd voor eenzijdige of differentiële ingangskanalen (Afbeelding 1). Deze multiplexeringangen ontvangen diverse sensoringangen voor procesbesturing, zoals die van temperatuurs-, druk- en optische sensors.

Afbeelding 1: Een hoge-precisie multikanaals schakeling met acht ingangen voor meerdere sensoren begint met een ingangsmultiplexer die voor eenzijdige of differentiële ingangskanalen kan worden geconfigureerd. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

Op afbeelding 1 volgt een instrumentatieversterker met programmeerbare versterking (PGIA, programmable gain instrumentation amplifier), aangeduid als "PGA" de ingangsmultiplexer met vergelijkbare spanningsschommelingcapaciteit voor in- en uitgang. Zowel de multiplexer- als de PGIA-fasen kunnen hoge spanningsingangen tot ±10 volt verwerken.

De common-modespanning en de brede uitgangsspanningsschommeling van de PGIA is niet consistent met het enkele voedings-ingangsbereik van de 18-bits analoog-naar-digitaalconverter (ADC). Om het signaalspanningsbereik voor te bereiden op de ADC, heeft het systeem een verzwakkende verschilversterker nodig. De verzwakkende verschilversterker voert drie functies uit: een signaalniveauverschuiving, conversie van eenzijdig naar differentieel en verzwakking om te voldoen aan de eisen van de 18-bits ADC met enkele voeding.

Na de 18-bits ADC zorgt een digitale isolator voor galvanische isolatie. Deze isolatiestijl maakt verschillende common-modespanningen mogelijk tussen iedere zijde zonder interferentie met de signaalbetrouwbaarheid.

Details van de schakeling

Zoals tot nu toe beschreven, heeft het geïsoleerde multikanaals DAQ-systeem een multiplexer, PGIA-fase, ADC-versterker-driver en een precieze, volledig differentiële ADC met successief benaderingsregister (SAR, successive approximation register). Het systeem bewaakt acht kanalen met een enkele ADC. De ADC-drivers en de ADC leveren echter de voornaamste bijdrage aan de ruis (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Afbeelding van de schematische weergave voor een geïsoleerd multikanaals DAQ-systeem met een 18-bits ADC. De ADC en de ADC-drivers leveren de voornaamste bijdrage aan de ruis. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het ruisniveau is een van de specificaties die het type componenten bepaalt die in dit toepassingscircuit passen.

De juiste componenten kiezen

In Afbeelding 2 is de ingangsmultiplexer de ADG5207BCPZ-RL7 van Analog Devices, een hoogspannings-, latch-up-proof, 8-kanaals differentiële multiplexer met een ultralage capaciteit van 3,5 picofarad (pF) en een ladingsinjectie van 0,35 picocoulomb (pC). De lage ladingsinjectie maakt deze schakelaars ideaal voor sample-and-hold DAQ-schakelingen die lage glitch-rates en snelle insteltijden nodig hebben. De ADG5207 kan worden geconfigureerd om zowel eenzijdige als differentiële ingangssignalen te ontvangen. Het complex programmable logic device (CPLD, complex programmeerbaar logisch apparaat) dat in de schakeling wordt weergegeven selecteert het actieve kanaal van de ADG5207 door de adrespinnen te gebruiken.

De PGIA is de AD8251ARMZ-R7 van Analog Devices. Dit apparaat biedt selecteerbare versterkingen van 1, 2, 4 en 8. Daarna levert de volledig differentiële verzwakkende verschilversterker met selecteerbare versterking, de AD8475ACPZ-R7 van Analog Devices een niveauverschuiving voor een common-mode aardespanning tot 2,048 volt en versterkingsinstellingen van 0,4 en 0,8. De AD8475 heeft een lage spectrale uitangsruisdichtheid van 10 nanovolt per wortel hertz (nV/√Hz). De versterkingen van de PGIA en de verzwakkende verschilversterker worden gecombineerd om de juiste, volledige ingangssignalen te leveren aan de 18-bits SAR ADC AD4003BCPZ-RL7 van Analog Devices (Tabel 1).

Tabel 1: Het in- en uitgangsspanningsbereik dat overeenkomt met vier versterkingsconfiguraties voor de AD8251 PGIA. De versterkingen van de PGIA en de AD8475 verzwakkende verschilversterker worden gecombineerd om de juiste, volledige ingangssignalen te leveren aan de 18-bits SAR ADC AD4003BCPZ-RL7. (Bron tabel: Bonnie Baker)

De AD4003BCPZ-RL7 is een volledig differentiële, 2 megasample/second (MSPS), 18-bits precisie SAR ADC die een typisch signaal/ruisverhouding (SNR, signal-to-noise ratio) van 98 decibel (dB) heeft voor een spanningsreferentie van 4,096 volt.

Analyse van de systeemruis

Vanwege de invloed van ruis op de nauwkeurigheid, moet er serieus rekening mee worden gehouden bij het ontwerpen van precisie-DAQ's met hogere snelheid. Ruis is een fenomeen in het frequentiedomein dat zowel de AC- als de DC-nauwkeurigheid van de digitale uitgang van de ADC beïnvloedt. Ruis is een willekeurige gebeurtenis: het is mogelijk dat een schakeling met veel ruis bij één conversie het absoluut correcte resultaat geeft, maar bij de volgende een compleet onnauwkeurig resultaat oplevert. De uitdaging voor ontwerpers is om de aanvaardbare ruisbijdragen van alle apparaten in de schakeling te bepalen.

De totale kwadratisch gemiddelde (rms, root-mean-square) ruis van het systeem is gelijk aan de wortel van alle opgetelde apparaten (root sum square) in de schakeling met betrekking tot de ingang van de AD4003 ADC en wordt berekend met Vergelijking 1:

Vergelijking 1

Waar:

V_nADG5207 = rms ruisbijdrage ADG5207 multiplexer

V_nAD8251 = rms ruisbijdrage AD8251 PGIA

V_nAD8475 = rms ruisbijdrage AD8475 verzwakkende verschilversterker

V_nAD4003 = rms ruisbijdrage AD4003 18-bits ADC

De berekende systeem-rms SNR gebruikt het volledige ingangsbereik van de AD4003 of V_REF, en wordt berekend met Vergelijking 2:

Vergelijking 2

Ruis AD4003 ADC: De ruis van de AD4003 ADC is een functie van de kwantisatiefout en de interne thermische ruis van de converter. De berekening van de rms ingangsspanningsruis van de AD4003 gebruikt de volledige ingangsspanning (V_REF) en de bedrijfs-SNR, volgens Vergelijking 3:

Vergelijking 3

De specificatie op het gegevensblad van de SNR van de AD4003 met een V_REF gelijk aan 4,096 volt is ongeveer 98 dB.

Ruis verzwakkende verschilversterker AD8475: De rms uitgangsruis van de AD8475 rms is een combinatie van de spectrale ruisdichtheid van de versterker (𝜖�_AD8475) bij 1 kilohertz (kHz) en de bandbreedtebeperking van de versterkerschakeling. De bandbreedte van de AD8475 met een versterking van 0,4 V/V is gelijk aan 150 megahertz (MHz). De hoekfrequentie van 3 dB van het volgende weerstand-condensatorfilter (RC, resistor-capacitor) is 6,63 MHz. De combinatie van de AD8475 en het uitgangs-RC-filter creëert een bandbreedtelimiet van 6,63 MHz, volgens Vergelijking 4:

Vergelijking 4

Waar:

𝜖�_AD8475 = 10 nV/√Hz.

R = 200 ohm (Ω)

C = 120 pF

BW_RC = 1 / (2xp x R x C) ~ 6.63 MHz

Ruis van de AD8251 PGIA: De rms ruisbijdrage van de AD8251 is een functie van zijn equivalente ingang AD8251, 1 kHz spotruis (𝜖�_AD8251) met eenheden van nV/√Hz, zijn versterkingsinstelling (G_AD8251), de versterking van de AD8475 (G_AD8475), en de ruisfilterbandbreedte bij de ingang van de AD4003 (BW_RC). Dit wordt berekend met Vergelijking 5:

Vergelijking 5

De waarde van 𝜖�_AD8251 is gelijk aan 40 nV/√Hz voor een versterking van 1 V/V en 18 nV/√Hz voor een versterking van 8 V/V.

Ruis ADG5207 multiplexer: De Johnson-Nyquist-ruisvergelijking geeft de spectrale ruisdichtheid van de multiplexer en de daaruit voortkomende rms ruis, Vergelijking 6:

Vergelijking 6

Waar:

k_B = constante van Boltzmann = 1,38 x 10^-23

T = temperatuur in Kelvin

R_ON = weerstand "on" multiplexer (volgens ADG5207 gegevensblad)

Het gebruik van deze formule (Vergelijking 6) is gepast omdat de multiplexer als een serieweerstand werkt.

De spectrale-dichtheidswaarde van de multiplexer (ϵ_nADG5207) levert de rms geluidsbijdrage van de ADG5207 op met Vergelijking 7:

Vergelijking 7

Samenvatting ruisanalyse

De berekende totale ruisbijdragen van iedere component in Afbeelding 2 en het SNR-resultaat voor een cumulatieve versterking van 3,2 is 84,7 dB. De belangrijkste bijdragers aan de totale ruis zijn de AD8251 PGIA en de AD4003 ADC (Tabel 2).

Tabel 2: De berekende SNR-prestaties van het multikanaals DAQ systeem voor een cumulatieve versterking van 3,2 zijn gelijk aan 84,7 dB. (Bron gegevens: Analog Devices)

Evaluatie en test van de schakeling

Om deze schakeling te evalueren en te testen, kunnen ontwerpers de schakeling-evaluatiekit EVAL-CN0385-FMCZ gebruiken, die de schakeling van Afbeelding 2 bevat (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het evaluatiebord EVAL-CN0385-FMCZ kan worden gebruikt om te experimenteren met het DAQ front-endontwerp dat in dit artikel wordt beschreven. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het CN-0385 Design Support Package bevat het complete schakelschema en layout-ondersteunend materiaal. Deze evaluatiekit bevat ook het controllerbord EVAL-SDP-CH1Z om gegevensverzameling te vergemakkelijken (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Functionele layout testopstelling voor het evalueren van de DAQ front-end. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De prestatieresultaten van het EVAL-CN0385-FMCZ-bord geven waarden aan die nauw aansluiten op de ruisberekeningen (Tabel 3).

Tabel 3: SNR-, ruis- en totale harmonische vervormings- (THD) prestaties van het EVAL-CN0385-FMCZ bord voor een volledige sinusgolfingang van 10 kHz voor cumulatieve versterkingen van 0,4, 0,8 1,6 en 3,2. (Bron gegevens: Analog Devices)

Een Audio Precision SYS-2700 genereerde het signaal in een differentiële ingangsmodus. De snelle Fourier-transformatie (FFT)-grafieken van het ingangssignaal van 10 kHz worden weergegeven (Afbeelding 5, 6, 7 en8).

Afbeelding 5: FFT voor ingang van 10 kHz, 20 volt p-p voor versterking = 0,4 op enkel, statisch kanaal. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 6: FFT voor ingang van 10 kHz, 10 volt p-p voor versterking = 0,8 op enkel, statisch kanaal. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 7: FFT voor ingang van 10 kHz, 5 volt p-p voor versterking = 1,6 op enkel, statisch kanaal. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 8: FFT voor ingang van 10 kHz, 2,5 volt p-p voor versterking = 3,2 op enkel, statisch kanaal. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Zoals de grafieken aantonen, liggen de prestaties van de ADG5207, AD8251, AD8475 en AD4003 signaalketen in het EVAL-CN0385-FMCZ evaluatiebord zeer dicht bij de eerdere berekeningen.

Conclusie

In industriële en procesbesturingsomgevingen worden er grote hoeveelheden gegevens verzameld, waaronder precieze gegevens van temperatuur, druk en spanning. Voor deze toepassingen zijn multiplex kanalen met hoge precisie nodig terwijl een hoge nauwkeurigheid met weinig ruis moet worden behouden in het frequentiedomein. De ideale analoge metingsfront-end heeft een multiplexer, PGIA en een 18-bits ADC met 2,0 MSPS precisie. De ADC bemonstert het signaal van het actieve multiplexerkanaal. In dit artikel staan nauwkeurige berekeningen en aanvullende testgegevens voor een geschikte schakeling. Testresultaten geven aan dat de werkelijke prestaties van de ADG5207, AD8251, AD8475 en AD4003 signaalketen in het EVAL-CN0385-FMCZ evaluatiebord zeer dicht bij de berekende waarden liggen.