Isolatie gebruiken om nauwkeurigheid te behouden en prestaties te verbeteren voor gegevensverwerving

Nu intelligentie naar de rand migreert om nieuwe en complexe problemen op te lossen, wordt het steeds belangrijker om de betrouwbaarheid, nauwkeurigheid en prestaties van gegevensverzameling (DAQ) te garanderen. Hiervoor moeten ontwerpers zorgen voor een geïsoleerde precisiesignaalketen tussen het verworven signaal en de systeemprocessor.

Het waarborgen van isolatie in een analoge precisiemeetketen is een uitdagende taak. Zorgvuldige aandacht voor details is vereist om de prestaties van de signaalketen te handhaven ondanks signaalverstorende factoren en onvermijdelijke temperatuurafwijkingen. Voor veel ontwerpers kan het nuttig zijn om de problemen beter te begrijpen voordat ze de juiste isolatietechnologie kiezen en gebruiken.

Dit artikel bespreekt de verschillende zaken die komen kijken bij het ontwikkelen en optimaliseren van een high-end geïsoleerd DAQ-systeem, waarbij de aanduiding "high-end" attributen omvat als precisie, nauwkeurigheid, signaalintegriteit en consistentie. Vervolgens worden DAQ-signaalketenoplossingen van Analog Devices geïntroduceerd en wordt getoond hoe deze kunnen worden gebruikt om een dergelijk systeem te vormen.

Elk functieblok optimaliseren

Een typisch DAQ-systeem bestaat uit een reeks functionele blokken die het signaal van het fysieke systeem doorlaten via een sensor. Van daaruit gaat het naar een analoog front-end (AFE) voor signaalconditionering, een analoog-digitaalomzetter (ADC) voor digitalisering en vervolgens een computergebaseerde uitlezing of besturing (die kan variëren van een microcontroller tot een veel groter systeem (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een DAQ-systeem bestaat uit een goed gedefinieerde, lineaire signaalketen van het gemeten fysieke systeem en de sensor naar de hostprocessor. (Bron afbeelding: Bill Schweber)

Het realiseren van DAQ-precisie en -nauwkeurigheid begint met het selecteren van de front-end signaalconditioneringscomponenten, met name de transductorvoorversterker. Lage ruisprestaties zijn een van de vele kritische factoren voor deze functie, omdat interne ruis later in het ontwerp moeilijk te verminderen is en samen met het gewenste signaal versterkt zal worden. Een basislijn signaal-ruisverhouding (SNR) wordt hier vastgesteld en zal onvermijdelijk verder verslechteren naarmate het signaal door bijkomende stadia gaat.

Daarom gebruiken AFE's vaak een ruisgeoptimaliseerde enkelvoudige operationele versterker (op amp). Een goede keuze voor de voorversterker aan de voorkant is de Analog Devices ADA4627-1BRZ-R7, een 30 V (±15 V dubbele voeding), snelle, ruisarme, low-bias stroom JFET-opamp. Een van de vele specificaties voor geoptimaliseerde sensors is een lage offsetspanning van 200 µV (maximaal), een offsetdrift van 1 μV/°C (nominaal) en een ingangsbiasstroom van 5 picoamps (pA) (maximaal). De kritische specificatie voor spanningsruis is 6,1 nV per wortelhertz (nV/√Hz) bij 1 kilohertz (kHz) (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De ADA4627 JFET-opamp heeft een spanningsruis van 6,1 nV/√Hz (1 kHz). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Isolatie biedt meerdere voordelen

Nadat het signaal versterkt en gedigitaliseerd is, is de volgende stap het creëren van galvanische isolatie tussen het signaal en het digitale gedeelte van het systeem en de bijbehorende processor. Er zijn drie belangrijke redenen voor deze stap:

1. Reductie van ruis en interferentie: Galvanische isolatie kan common-mode spanningsvariaties, aardlussen en elektromagnetische interferentie (EMI) elimineren. Het voorkomt ook dat externe ruisbronnen het verkregen signaal aantasten, waardoor schonere en nauwkeurigere metingen worden verkregen.
2. Eliminatie van aardlussen: Aardlussen kunnen spanningsverschillen introduceren die het gemeten signaal vervormen. Isolatie verbreekt het pad van de aardlus en verwijdert zo de interferentie die wordt veroorzaakt door de variatie in aardpotentialen en verbetert de meetnauwkeurigheid.
3. Veiligheid en bescherming: Isolatiebarrières bieden elektrische veiligheid door te voorkomen dat gevaarlijke spanningspieken, transiënten of pieken gevoelige meetcomponenten bereiken. Dit beschermt het meetcircuit en de aangesloten apparaten en zorgt voor een veilige en betrouwbare werking. Bovendien elimineren dergelijke barrières het elektrische gevaar voor gebruikers als de sensor voor laag niveau zelfs maar kort in contact komt met een hoogspannings- of wisselstroomleiding.

Er zijn verschillende technieken beschikbaar om digitale signalen te isoleren op basis van magnetische, optische, capacitieve en zelfs RF-principes. Analoog Devices biedt een reeks krachtige oplossingen, waaronder de ADUM152N1BRZ-RL7 vijfkanaals digitale isolator gebaseerd op hun gepatenteerde iCoupler-technologie (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De ADuM152N vijfkanaals digitale isolator maakt gebruik van een eigen magneetkoppelingsimplementatie om hoge prestaties te bereiken. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze isolators combineren snelle CMOS-schakelingen en monolithische luchtkern transformatortechnologie. Om te zorgen voor prestaties die overeenkomen met de behoeften van digitale hogesnelheidsverbindingen, is de maximale propagatievertraging 13 nanoseconden (ns) met een pulsbreedtevervorming van minder dan 4,5 ns bij 5 V, en de kanaal-tot-kanaal afstemming van propagatievertraging is strak bij 4,0 ns (maximum). Een vergelijkbare tweekanaalsversie, de ADUM120N1BRZ-RL7, is beschikbaar zodat het totale aantal geïsoleerde kanalen kan worden afgestemd op de busbreedte.

Deze isolators zijn geoptimaliseerd voor hogesnelheidsprestaties met een gegarandeerde gegevenssnelheid van 150 megabits per seconde (Mbits/s). Ze bieden een hoge CMTI (common-mode transient immunity) van 100 kV per microseconde (kV/μs), een weerstandsspanning van 3 kV root mean square (rms) en voldoen aan alle relevante regelgevende mandaten.

Signaalisolatie is slechts een deel van het totale isolatieverhaal. Alle DC-voedingsrails naar het DAQ-systeem moeten ook geïsoleerd worden. Dit wordt meestal bereikt met een transformator als isolerend element.

Als de primaire stroombron al wisselstroom is, wordt deze door de transformator geleid en vervolgens gelijkgericht en geregeld; als de bronstroom gelijkstroom is, moet deze eerst worden gehakt tot een golfvorm die op wisselstroom lijkt. Dit wordt sterk vereenvoudigd door gebruik te maken van componenten zoals de LT3999, een ruisarme, 1 ampère (A), 50 kHz tot 1 megahertz (MHz) DC/DC-driver.

Voor een compleet DAQ-systeem met hoge prestaties zijn extra kern- en randcomponenten nodig. Het ontwerp en de opstelling moeten nauwkeurige metingen en gegevensintegriteit garanderen. Naast de versterkers en isolatiebarrières bevat een precisiesignaalketen meestal filterelementen, een ADC met hoge resolutie en schakelaars. De combinatie van deze componenten elimineert ruis, minimaliseert interferentie en zorgt voor een nauwkeurige signaalweergave.

Alles bij elkaar genomen

Een voorbeeld van een geïsoleerde signaalketen die gebruik maakt van deze belangrijke componenten is de ADSKPMB10-EV-FMCZ, een precisieplatform dat een enkelkanaals, volledig geïsoleerd DAQ-systeem met lage latentie implementeert (Afbeelding 4). Deze oplossing combineert een programmeerbare instrumentatieversterker (PGIA) voor signaalconditionering om de gevoeligheden van de verschillende sensorinterfaces aan te passen met digitale en vermogensisolatie binnen een compacte printplaat.

Afbeelding 4: De ADKSPMB10-EV-FMCZ is een precisieplatform dat een eenkanaals, volledig geïsoleerd DAQ-systeem met lage latentie implementeert. Een PMOD-naar-FMC-interposerbord (middelste blok) biedt isolatie en andere functies. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Voor evaluatie is dit geconfigureerd als een multibordoplossing bestaande uit de ADSKPMB10-EV-FMCZ op een PMOD-vormfactor (afbeelding 5) samen met het interfacebord van het EVAL-SDP-CH1Z-systeemdemonstratieplatform (SDP). Tussen deze twee borden bevindt zich een volledig geïsoleerd PMOD-naar-FMC-interposerbord.

Afbeelding 5: De ADSKPMB10-EV-FMCZ (links) wordt aangesloten op de SDP-interfacebord (niet afgebeeld) via de PMOD-naar-FMC-interposerbord (rechts). De verticale gesplitste zone op het interposerbord toont waar de isolatiebarrière geïmplementeerd is. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ADSKPMB10-EV-FMCZ heeft een discrete PGIA die gebouwd is met de ADA4627-1-opamp. De PGIA heeft de hoge ingangsimpedantie die nodig is om directe interfacing met diverse sensors te ondersteunen. De module heeft ook een precisie quad matched-resistor netwerk voor versterkingsinstelling, een quad-kanaals multiplexer en een volledig differentieel versterker ADC-driver voor de ADAQ4003. De ADAQ4003 is een 18-bits, 2 megasamples per seconde (MSPS) ADC en DAQ-subsysteem geïmplementeerd als een μModule.

Deze module is meer dan alleen een ADC met hoge resolutie. De ADAQ4003 bevat meerdere ruisonderdrukkingstechnieken om een natuurgetrouwe signaalopname mogelijk te maken. Er wordt bijvoorbeeld een enkelpolig laagdoorlatend weerstand-condensator (RC) filter geplaatst tussen de uitgang van de ADC-driver en de ADC-ingangen in de μModule om hoogfrequente ruis te elimineren en de lading "terugslag" van de ingang van de interne ADC te verminderen.

Verder zorgt de lay-out van de μModule ervoor dat de analoge en digitale paden gescheiden zijn om crossover te voorkomen en afstralingsruis te minimaliseren.

Het volledig geïsoleerde PMOD-naar-FMC-interposerbord bevat de LT3999 DC/DC-driver, de vijf- en tweekanaals digitale isolatoren, een low-noise low-dropout regulator (LDO) en een ultra-low-noise LDO. De interposerprint fungeert als brug en maakt verbinding met de SDP-interfaceprint.

De SDP-interfacekaart zorgt voor verwerking, beheer en connectiviteit na de acquisitie. Dit bord heeft een 160-pins FMC-connector, een 12 V_DC voeding, die verder wordt geregeld en gepartitioneerd voor de andere borden, een Blackfin-processor met hardware-gebaseerde beveiliging voor code- en inhoudsbescherming, een USB-poort en een Spartan-6 FPGA.

Het bewijs zit in de prestaties

Het beoordelen van de prestaties van een precisie-DACQ-systeem is geen triviaal proces, omdat de instrumentatie, de testopstelling en de meetgegevens van cruciaal belang zijn. Hoewel veel dynamische parameters correleren met de prestaties van DAQ-systemen, zijn de meest veelzeggende dynamisch bereik, signaal-ruisverhouding (SNR) en totale harmonische vervorming (THD).

Dynamisch bereik is het bereik tussen de ruisvloer van een apparaat en het gespecificeerde maximale uitgangsniveau.

Het typische dynamische bereik van dit ontwerp van 93 decibel (dB) bij de hoogste versterkingsinstelling en 100 dB bij de laagste versterkingsinstelling is indrukwekkend (Afbeelding 6). Het verhogen van de overbemonsteringsverhouding tot een factor 1024× verbetert de meting nog verder en bereikt een maximum van respectievelijk 123 dB en 130 dB.

Afbeelding 6: Het dynamische bereik van ongeveer 100 dB van het volledige circuit en de signaalketen, afhankelijk van versterking en andere instellingen, duidt op een DAQ-systeem met hoge prestaties. (Bron afbeelding: Analog Devices)

SNR is de verhouding van de rms signaalamplitude tot de gemiddelde waarde van de root-sum-square (RSS) van alle andere spectrale componenten, exclusief harmonischen en DC. THD is de verhouding tussen de rms-waarde van het fundamentele signaal en de gemiddelde waarde van de RSS van zijn harmonischen.

De SNR en THD voor dit ontwerp zijn duidelijk hoge prestaties, aangezien de signaalketen een maximale SNR van 98 dB (Afbeelding 7 (links)) en een THD van -118 dB (Afbeelding 7 (rechts)) bereikt, afhankelijk van de versterkingsinstellingen.

Afbeelding 7: Samen met het dynamisch bereik leveren de hoge SNR (links) en de lage THD (rechts) tastbaar bewijs van superieure analoog gerichte DAQ-prestaties. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Het ontwerpen en implementeren van een geïsoleerde precisiesignaalketen die de nauwkeurigheid behoudt, ruis en interferentie minimaliseert en de gegevensintegriteit waarborgt, is een aanzienlijke ontwerp- en implementatieonderneming. Gelukkig kan dit bereikt worden door verstandig gebruik van precisieversterking, isolatietechnieken, hoge-resolutie ADC's en modules en energiebeheer met weinig ruis om nauwkeurige metingen mogelijk te maken, zelfs in elektrisch moeilijke omgevingen. Dit wordt mogelijk gemaakt door gebruik te maken van geavanceerde componenten van Analog Devices, variërend van basisopampers tot geavanceerde isolatieapparaten, en ondersteund door noodzakelijke randapparatuurfuncties, samen met gedetailleerde gegevensbladen en toepassingsrichtlijnen.