Odpowiedź: Tak, najnowsza rodzina wzmacniaczy pomiarowych od ADI może, wykorzystując jeden układ, usunąć napięcie współbieżne, wzmocnić sygnał różnicowy, dokonać translacji napięć na wymagane napięcie wejściowe ADC i chronić przetwornik ADC przed przepięciem - wszystko za jednym zamachem!
Jednym z najbardziej powszechnych wyzwań w niezliczonych zastosowaniach przemysłowych, motoryzacyjnych i wielu innych jest to, jak prawidłowo podłączyć maleńki sygnał z sensora do przetwornika ADC w celu jego digitalizacji i dalszej, cyfrowej akwizycji danych. Sygnał z sensora jest zazwyczaj słaby, delikatny, może być zaszumiony, może mieć bardzo wysoką impedancję lub posiadać bardzo wysokie napięcia wspólne. Żadna z tych sytuacji nie sprzyja zapewnieniu ADC preferowanych przez niego warunków wejściowych. W poniższym artykule przedstawione zostanie najnowsze zintegrowane rozwiązanie, które może raz na zawsze odpowiedzieć na problemy inżynierów.
W dalszej części przyjrzymy się, jakie kroki, po kolei, należy wykonać, aby skonfigurować kompletny tor sygnałowy oparty na wzmacniaczu pomiarowym połączonym z sensorem i ADC.
Rys.1. Wyzwanie związane z podłączeniem sensora do ADC.
Co pasuje do sensora i czemu występuje problem?
Krótką odpowiedzią na to pytanie jest wzmacniacz pomiarowy. Dlatego też sensory najczęściej podłączane są do tego rodzaju wzmacniaczy.
Wzmacniacze wejściowe muszą charakteryzować się wysoką precyzją, niskim offsetem oraz niskim poziomem szumów, aby nie zakłócać małego sygnału wejściowego. Posiadają one wejścia różnicowe odpowiednie dla wielu sygnałów z sensorów, takich jak tensometry, czujniki ciśnienia itp. Są one w stanie odrzucić każdy sygnał współbieżny, pozostawiając dla ADC tylko małe, interesujące nas napięcie.
Wzmacniacze wejściowe mają ogromną impedancję wejściową, która nie obciąża sensora, zapewniając, że przetwarzanie sygnału nie ma wpływu na delikatny sygnał. Co więcej, wzmacniacze tego rodzaju pozwalają na ogół na duże wzmocnienia i posiadają szeroki zakres wzmocnienia, zwykle z pojedynczym rezystorem zewnętrznym, dla maksymalnej elastyczności w dostosowywaniu małego sygnału będącego przedmiotem zainteresowania do napięć znacznie przekraczających poziom szumów i pasujących do wejść analogowych ADC.
Ponieważ wzmacniacze wejściowe są zaprojektowane z myślą o precyzji, są wewnętrznie zbalansowane i utrzymują swoje parametry w szerokim zakresie temperatur roboczych, a także są odporne na zmiany napięcia zasilania. Utrzymują swoją dokładność dzięki bardzo niskiemu błędowi wzmocnienia, co ogranicza błąd pomiaru.
Co chciałoby zobaczyć wejście ADC?
Wejście ADC nie jest najłatwiejszym do sterowania obciążeniem. Wprowadzany do niego jest ładunek z wewnętrznego kondensatora (CDAC na rysunku 2), przełączanego w układzie, co sprawia, że dostarczanie wysoce liniowego i ustalonego sygnału do kwantyzacji przez przetwornik ADC jest trudnym zadaniem. To, co steruje wejściem ADC, musi być w stanie dostarczyć dużą ilość ładunku w krótkim czasie, aby naładować tą pojemność i szybko ustabilizować napięcie przed następnym cyklem konwersji. Ponadto szum i zniekształcenia sterownika nie powinny być czynnikiem ograniczającym jakość pomiaru w zależności od rozdzielczości przetwornika ADC (liczba bitów).
Rys.2. Sterowanie wejściem ADC jest trudne.
Podsumowując - wymagania te nie są trywialnymi zadaniami, zwłaszcza w przypadku sterownika o niskim zużyciu energii. Ponadto napięcia zasilania ADC maleją z dnia na dzień w ramach postępów w produkcji półprzewodnikowych. Efektem ubocznym tego trendu jest zwiększenie podatności wejść ADC na przepięcia itp. Wymaga to stosowania zewnętrznych obwodów, które chronią je przed takim zjawiskami. Obwody te nie powinny ograniczać szerokości pasma ani powodować żadnych zniekształceń sygnału. Ponadto nie powinny dodawać żadnego mierzalnego szumu do sygnału. Jest również wysoce pożądane, aby cały obwód reagował szybko i łagodnie, jak i szybko wracał do pracy po wystąpieniu przepięcia.
Istnieją również wyzwania związane z przesunięciem sygnału wejściowego tak, aby był zgodny z zakresem napięcia wejściowego przetwornika ADC. Wszelkie elementy obwodu dodane w celu wykonania tego zadania podlegają takim samym ograniczeniom, jak opisano powyżej.
Gdyby tylko wzmacniacz mógł bezpośrednio sterować przetwornikiem ADC…
Biorąc pod uwagę wszystkie wymagania, wzmacniacze wejściowe mają pewne wady, które wymagają większej liczby elementów obwodu, aby zrealizować tor sygnałowy od świata fizycznego (sensor) do świata cyfrowego (ADC). Tradycyjnie wzmacniacz wejściowy ADC nie jest pierwszym elementem tego obwodu, a wzmacniacz pomiarowy nie nadaje się do sterowania wejściem ADC, szczególnie w przypadku wymagających układów.
Uniknięcie nadmiernych zniekształceń harmonicznych jest trudnym wyzwaniem. Na równaniu 1 zapisano wyrażenie określające, jakiego poziomu zniekształcenia przetwornik ADC jest w stanie tolerować na wejściu, aby nie pogorszyć jego efektywnej rozdzielczości.
$$SINAD = 6,02 \times ENOB + 1,76 dB \qquad (1)$$
gdzie SINAD to SNR + zniekształcenie, a ENOB: Efektywna liczba bitów. Zatem dla ENOB 16 bitów SINAD ≥ 98 dB.
Obecnie dostępne na rynku wzmacniacze wejściowe zwykle nie są przeznaczone do sterowania wejściem ADC. Najczęstszą tego przyczyną jest brak liniowości, jakiej wymaga przetwornik ADC o wysokiej rozdzielczości. Liniowość lub wysokie zniekształcenie harmoniczne (THD) są najbardziej prawdopodobnym czynnikiem ograniczającym stosowanie tych elementów do bezpośredniego sterowania ADC. Jeśli złożony przebieg zostaje zdigitalizowany, a po drodze został „zanieczyszczony” zniekształceniami, sygnał staje się nie do odróżnienia od zakłóceń, a tym samym gromadzenie danych jest utrudnione. Sterownik ADC powinien również być w stanie szybko ustabilizować napięcie na wejściu ADC.
Ulepszone rozwiązania dostępne obecnie
Dzięki nowej rodzinie wzmacniaczy pomiarowych, są obecnie dostępne rozwiązania, które pozwalają na integrację wszystkich funkcji w jednym układzie. Realizują one funkcje tradycyjnie oddawane w ręce wzmacniacza wejściowego, a jednocześnie nadają się do bezpośredniego wysterowania wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego. Przedstawiamy układy LT6372-1 (dla wzmocnień od 0 dB do 60 dB) i LT6372-0,2 (dla wzmocnień / tłumienia od –14 dB do +46 dB). Mogą one zrealizować zadanie precyzyjnego interfejsu dla sensora, który może jednocześnie bezpośrednio sterować wejściem ADC.
Rys.3. Wizualizacja idealnego wzmacniacza / sterownika ADC.
Istnieją oczywiste zalety korzystania z precyzyjnego wzmacniacza pomiarowego o niskim poziomie szumów, takiego jak rodzina LT6372, do bezpośredniego sterowania wejściem analogowym ADC. Nie wymaga to dodawania kolejnego stopnia wzmocnienia lub buforowania. Niektóre z innych korzyści to zmniejszona liczba komponentów, zredukowane zużycie energii oraz koszt i powierzchnia na PCB. Dodatkowo układ taki charakteryzuje się wysokim stopniem odrzucenia napięcia współbieżnego (CMRR), doskonałą precyzją stałoprądową, niskim poziomem szumów 1/f oraz możliwością konfiguracji wzmocnienia układu z pomocą pojedynczego rezystora.
Wiele szybkich wzmacniaczy operacyjnych wybieranych do sterowania przetwornikiem ADC może nie mieć tak niskiego szumu 1/f, jakim charakteryzuje się rodzina LT6372, dzięki zastrzeżonemu procesowi, który wykorzystano do jego produkcji. Ponadto może być konieczne dodanie dodatkowych stopni buforowania i wzmocnienia w celu dołączenia małego sygnału sensora do ADC. Przy bezpośrednim sterowaniu przetwornikiem ADC z wyjścia wzmacniacza nie ma żadnych dodatkowych źródeł szumu ani offsetu, pochodzącego z dodatkowych stopni wzmacniacza lub napięć odniesień, z którymi trzeba by się zmagać.
Układy LT6372-1 i LT6372-0.2, z ich wyjątkowo wysoką impedancją wejściową, mogą łączyć się z przetwornikami lub podobnymi źródłami sygnału i zapewniać duże wzmocnienie (LT6372-1) lub tłumienie (LT6372-0.2) bez obciążenia sensora. Ich niskie zniekształcenia i niskie szumy zapewniają dokładną konwersję sygnału bez jego degradacji. Dedykowane są do przetworników ADC o rozdzielczości 16-bit i niższej, do 150 kSPS. Rysunek 4 przedstawia typową szerokość pasma, jaką każde urządzenie może osiągnąć przy danym ustawieniu wzmocnienia.
Rys.4. Odpowiedź częstotliwościowa LT6372-1 oraz LT6372-0.2 dla różnych poziomów wzmocnienia.
Na rysunku 5 pokazano wykres zniekształceń w funkcji częstotliwości, co pokazuje, że nie dominują one THD samego ADC przy najwyższych używanych częstotliwościach. Na przykład układ LTC2367-16 charakteryzuje się SINAD równym 94.7 dB. Aby zapewnić, że driver ADC nie będzie pogarszał tego parametru, możemy odczytać z wykresu na rysunku 5 częstotliwość graniczną – w tym wypadku około 5 kHz.
Rys.5. Wykres THD w funkcji częstotliwości dla LT6372-1.
Wykorzystanie LT6372-1 jako drivera ADC
Oprócz wymienionych powyżej zalet, architektura z rozdzielonym odniesieniem, jaka wykorzystana jest w układach z rodziny LT6372 (pokazana na rysunku , jako osobne piny RF1 I RF2), pozwala na przesuwanie sygnałów w wygodny sposób, tak, aby znajdowały się one w optymalnym zakresie napięć dla ADC. Dzięki temu nie jest konieczne stosowanie dodatkowych napięć odniesienia czy innych układów do dopasowania napięcia do wymagań ADC. W większości przypadków napięcie REF2 (podłączone w prezentowanym układzie do VOCM) podłącza się do napięcia odniesienia ADC, co gwarantuje, że sygnał wejściowy będzie wycentrowany na poziomie VREF/2.
Rys. 6. Podzielony stabilizator napięcia odniesienia LT6372, używany do przesunięcia sygnału na wejściu analogowym ADC.
Wbudowane zabezpieczenie wyjściowe rodziny LT6372 zapewnia, że czułe wejście ADC nie zostanie uszkodzone przez stany przejściowe w sygnale. Nie zniekształcają one sygnału aż do napięcia granicznego i szybko ograniczają napięcie powyżej tego progu, co zapewnia ochronę wejścia ADC. Po zadziałaniu zabezpieczenia układ szybko powraca do normalnej pracy.
Wejście analogowe niektórych przetworników ADC SAR stanowi spore wyzwanie dla wzmacniacza. Musi on charakteryzować się niskim poziomem szumów i szybką stabilizacją napięcia, a także wysoką precyzją DC, aby utrzymać niepożądane zakłócenia sygnału na poziomie jednego LSB lub mniej. Wyższe częstotliwości próbkowania i przetworniki ADC o wyższej rozdzielczości stawiają jeszcze większe wymagania wzmacniaczowi. Rysunek 7 przedstawia wejście typowego przetwornika ADC o sukcesywnej aproksymacji (SAR).
Rys.7. Wejście SAR ADC w trybie akwizycji / próbkowania.
Położenia przełączników pokazane na rysunku 7 odpowiadają trybowi próbkowania lub akwizycji. W tym trybie wejście analogowe jest podłączone do kondensatora próbkującego CDAC przed rozpoczęciem konwersji w następnej fazie operacji.
Przed rozpoczęciem kolejnej fazy działania, przełącznik S2 rozładował na napięcie CDAC do 0 V lub innego punktu odniesienia, takiego jak np. FS/2. Na początku okresu próbkowania, kiedy S1 zamyka się, a S2 otwiera, różnica napięcia między VSH a wejściem analogowym powoduje przepływ prądu przejściowego, tak że CDAC może ładować się w kierunku napięcia wejściowego. Prąd ten może wynosić nawet do 50 mA dla przetworników ADC o wyższej częstotliwości próbkowania. Kondensator CEXT pomaga złagodzić skokową zmianę napięcia wyjściowego wzmacniacza z powodu tego skoku prądu, ale wzmacniacz jest nadal poddawany wymagającej próbie i musi ustabilizować napięcie na wejściu ADC, zanim skończy się okres akwizycji. Rezystor REXT izoluje sterownik od pojemności CEXT, a także zmniejsza wpływ na stabilność ładowania dużego kondensatora. Wybór wartości dla REXT i CEXT jest kompromisem między większą izolacją od tego obwodu a pogorszeniem czasu ustalania się z powodu utworzonego w ten sposób filtra dolnoprzepustowego. Ten filtr może również pomóc w redukcji szumów pozapasmowych i poprawie SNR, chociaż nie jest to jego główna funkcja.
Projektowanie wartości elementów dla front-end ADC
Przy wyborze wartości dla REXT i CEXT należy wziąć pod uwagę wiele kwestii. Oto podsumowanie czynników, które wpływają na odpowiedź dynamiczną ADC mierzoną za pomocą FFT lub w inny sposób:
CEXT: Działa jako pojemność ładująca się z ładunku wejściowego ADC, aby złagodzić skok napięcia i poprawić czas ustalania. Co jednak, jeśli zostanie źle dobrany?
Zbyt duży: Może to wpłynąć na stabilność wzmacniacza i może obniżyć częstotliwość filtru dolnoprzepustowego tak, że będzie tłumić sygnał.
Za mały: Ładunek z wejścia ADC staje się zbyt duży, aby ustabilizować napięcie w odpowiednim czasie.
REXT: Zapewnia izolację między wyjściem wzmacniacza a CEXT, aby zwiększyć stabilność układu.
Za duży: może sprawić, że czas ustalania będzie zbyt długi. Może również powodować wzrost THD podczas z uwagi na nieliniową impedancję wejścia ADC.
Za mały: Wzmacniacz może stać się niestabilny lub czas stabilizacji napięcia nadmiernie wzrośnie.
Poniżej znajduje się kilka kroków, jakie trzeba zrealizować podczas projektowania, aby wyznaczyć optymalne wartości REXT i CEXT dla układu LT2367-16, jako przykładu, sterowanego przez LT6372-1 z maksymalną częstotliwością wejściową 2 kHz, przy częstotliwości próbkowania równej 150 kSPS.
Należy dobrać CEXT tak, aby było w stanie przyjąć cały ładunek, jaki przekazywany może być w czasie przełączania pojemności próbkującej:
$$C_{EXT} > 100 \times C_{DAC} \qquad (2)$$
gdzie CDAC to pojemność wejściowa ADC (45 pF dla LTC2367-16). Dlatego też jako CEXT obieramy 10 nF. Napięcie VSTEP dla ADC obliczane jest korzystając z wzoru 3:
$$V_{STEP} = \frac {V_{REF} \times C_{DAC}} {C_{EXT} + C_{DAC}} \qquad (3)$$
gdzie VREF równe jest 5 V (dla LTC2367-16), a CDAC (pojemność wejściowa ADC) wynosi 45 pF (dla LTC2367-16). Ustalona pojemność zewnętrznego kondensatora - CEXT wynosi 10 nF. Zatem napięcie VSTEP równe jest 22 mV.
Obliczenia VSTEP zakładają, że pojemność CDAC jest rozładowywana do masy na końcu każdego cyklu próbkowania, tak jak ma to miejsce w LTC2367-16. W literaturze odnaleźć można inne wyrażenie na to napięcie, w zależności od architektury ADC.
Następnie wyznaczyć można ilość stałych czasowych REXT × CEXT koniecznych do stabilizacji wejścia (NTC), przy założeniu wykładniczej stabilizacji wejścia po skoku jednostkowym.
$$N_{TC} = LN(\frac {V_{STEP}} {V_{połowa LSB}}) \qquad (4)$$
gdzie VSTEP to napięcie skoku na wejściu ADC, a VHALF_LSB: to połowa napięcia LSB dla danego ADC. Przy pełnej skali 5 V I 16-bitowym przetworniku, wynosi to około 38 µV (= 5 V/2^17). NA tej podstawie wyznaczamy, że NTC = 6.4 razy stała czasowa, którą wyznaczamy w kolejnym kroku.
Obliczanie stałej czasowej τ:
$$\tau \leq \frac {t_{ACQ}} {N_{TC}} \qquad (5)$$
gdzie tACQ to czas akwizycji ADC (tACQ = tCYC – tHOLD); zakładając próbkowanie z prędkością 150 kSPS tCYC = 6.67 μs (= 1/(150 kHz)), a tHOLD = 0.54 μs (dla układu LTC2367-16), to tACQ = 6.13 μs, zatem:
$$\tau \leq 0,96 \mu s$$
Znając τ oraz CEXT obliczyć można REXT, które wynosi:
$$R_{EXT} \leq 96 \Omega$$
Mamy teraz wartości zewnętrznego obwodu RC, które pozwalają na poprawną stabilizację napięcia na wybranym ADC. Jeśli obliczona wartość REXT jest zbyt wysoka, możliwe jest zwiększenie pojemności CEXT i przeliczenie REXT do zadowalającej wartości, jak i odwrotnie, tj. gdy wartość jest zbyt duża. Rysunek 8 pokazuje wartości REXT dla wybranych pojemności CEXT w warunkach opisanych w powyższym przykładzie.
Rys.8. Zależność rezystancji i pojemności zewnętrznej na wejściu ADC, koniecznych do prawidłowej stabilizacji napięcia wejściowego.
Korzystając z opisu w poprzednich krokach, należy znaleźć odpowiednie wartości początkowe REXT i CEXT. Następnie należy przeprowadzić testy laboratoryjne i ocenę działania układu, aby zoptymalizować te wartości w razie potrzeby.
Podsumowanie
Nowa rodzina wzmacniaczy pomiarowych pozwala wypełnić lukę pomiędzy sensorem a przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Funkcje tych urządzeń zostały szczegółowo zbadane, a powyżej przedstawiono rzeczywisty przykład tego, jak zaprojektować komponenty front-endu dla ADC, aby zapewnić, że połączenie przetwornika wartości fizycznej i ADC może zapewnić zamierzoną rozdzielczość pomiaru.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-185.html
Cool? Ranking DIY
