Багатоканальні системи збору даних

Багатоканальні системи збору даних широко застосовуються в промисловості та медицині, у пристроях контролю та управління.
Безліч датчиків підключається до АЦП через оптичні та провідні лінії зв’язку, причому перетворювачі повинні синхронно кодувати сигнали цих датчиків. Застосування в системах
збору даних перетворювачів з мультиплексорами на вході дозволяє зменшити кількість
використовуваних АЦП і тим самим знизити вартість, енергоспоживання та розміри виробу, що проектується в цілому. Використання таких системах АЦП порозрядного врівноваження дає можливість кодувати сигнали з мінімальною затримкою, у своїй такі АЦП мають мале споживання і мінімальні розміри. У цій публікації розглянуто особливості систем збору даних, виконаних на основі прецизійних АЦП порозрядного врівноваження

Структурна схема системи збору даних

До складу багатоканальних систем збору даних має бути включений підсилювач-драйвер, що має короткий час встановлення при максимальному вхідному сигналі. Перемикання каналів слід синхронізувати із циклом перетворення АЦП. Структурна схема аналізованої системи збору даних наведено на рис. 1.

Вибір параметрів мультиплексора

Для забезпечення високої точності системи, що розглядається, час перемикання та смуга пропускання мультиплексора мають вибиратися з урахуванням параметрів сигналів датчиків. Затримка вмикання/вимикання мультиплексора повинна забезпечувати проходження сигналу з виходу датчика на вхід АЦП з мінімальною втратою точності. Провали напруги під час перемикання каналів мультиплексора також не повинні впливати на точність передачі сигналів датчиків до АЦП.

Для зменшення викидів напруги при перемиканні сигналів великої амплітуди рекомендується на виходах мультиплексора підключати конденсатори великої ємності, як показано на рис. 2.

Вимоги до драйвера

Особливі вимоги в таких системах висуваються до драйвера на вході АЦП. Він повинен ефективно обробляти стрибки напруги на вході, для чого має мати максимальну швидкість наростання та мінімальний час встановлення вихідного сигналу. Типові часові діаграми роботи системи збору даних (мал. 1) при кодуванні сигналів з розмахом повної шкали АЦП наведено на мал. 3.

Фільтрація сигналів

Для зменшення паразитних викидів і захисту від накладання спектрів на вході АЦП включають фільтр низьких частот. Величина опору послідовно включеного резистора фільтра має бути такою, щоб забезпечувати стійку роботу підсилювача драйвера.

Приклад функціональної схеми

На мал. 4 наведено спрощену функціональну схему багатоканальної системи збору даних. Аналоговий комутатор (мультиплексор) ADG774 виконаний за КМОП-технологією і може комутувати як симетричні, так і несиметричні сигнали позитивної або негативної полярності.

Параметри мультиплексора ADG774

Підсилювач-драйвер виконаний на основі операційного підсилювача ADA4899-1, який відзначається низьким рівнем спотворень вхідного сигналу. АЦП AD7960 сімейства PulSAR має точність 18 біт і частоту вибірки 5 МГц. Фільтр на вході АЦП дозволяє зменшити амплітуду паразитних викидів у процесі поразрядного врівноваження вхідного сигналу. Час комутації мультиплексора ton/toff становить 7/4 нс. Опір замкненого каналу не перевищує 2.2 Ом, смуга пропускання становить 240 МГц, а розсіювальна потужність не перевищує 5 мВт.

На мал. 5 наведено залежність опору замкненого каналу мультиплексора від величини вхідної напруги в діапазоні від 0 до 5 В при різних значеннях температури навколишнього середовища. Спектральна густина вхідного шуму підсилювача-драйвера ADA4899-1 становить 1 нВ/√Гц, рівень нелінійних спотворень -117 дБ, смуга пропускання 600 МГц, швидкість наростання вихідної напруги 310 В/мкс. Широкий діапазон напруг живлення підсилювача – від 2.5 до 7 В – дозволяє забезпечити оптимальний режим роботи підсилювача. Час встановлення вихідного сигналу підсилювача амплітудою 2 В з похибкою не більше 0.1% становить 50 нс (мал. 6).

Прецизійний АЦП AD7960

Прецизійний АЦП порозрядного врівноваження з диференціальним входом AD7960 має роздільну здатність 18 біт. Його інтегральна нелінійність становить ±0.8ЕМР, відношення сигнал/шум 99 дБ, нелінійні спотворення -117 дБ. Максимальна частота вибірки цього АЦП 5 МГц. За такої частоти вибірки потужність розсіювання перетворювача вбирається у 47 мВт. Зазначимо, що напруги живлення АЦП AD7960 5 і 1.8 формуються лінійними LDO-стабілізаторами ADP710 і ADP124 відповідно.
Для формування опорної напруги АЦП використовується зовнішнє опорне джерело ADR4550 напругою 5 В, похибка якого не перевищує ±0.02%, а споживаний струм – 950 мкА. Як буферний каскад опорного джерела використовується підсилювач AD8031, який забезпечує стійку роботу ланцюга опорної напруги при великому ємнісному навантаженні. Цифровий інтерфейс AD7960 виконаний з урахуванням LVDS-логіки.

Продуктивність системи

Якщо обробка даних здійснюється одним каналом, максимальна частота вибірки системи збору і обробки даних становить 5 МГц, причому буде забезпечена точність щонайменше 14 розрядів. При організації багатоканальної обробки даних похибка системи визначається заданою продуктивністю. При цьому мінімальна похибка, спричинена перехресною перешкодою, як випливає з рис. 7 становить 0.01%. Залежність похибки систем збирання даних від величини вхідного сигналу наведено на рис. 8, причому мінімальна величина похибки, викликаної перехресною перешкодою, не перевищує 0.01% при амплітуді вхідного сигналу, що становить 10% максимального значення.

Враховуючи малі габарити системи збору даних та високу тактову частоту, необхідно забезпечувати ретельне розведення друкованої плати. Приклад такої плати розміром 69×85 мм наведено на рис. 9. Шини живлення АЦП та опорних сигналів при проектуванні такої плати повинні бути рознесені. Конденсатори, що розв’язують, повинні бути розташовані в безпосередній близькості від ІМС АЦП. Шини землі, живлення та тактових сигналів мають бути рознесені з шинами вхідних аналогових сигналів.

ВИСНОВКИ:
1. Мініатюрні багатоканальні системи збору даних з малим споживанням знаходять широке застосування у промисловості та медичному приладобудуванні.
2. Реалізація таких систем може бути виконана на основі ІМС компанії Analog Devices, таких як багатоканальні мультиплексори, прецизійні підсилювачі та АЦП, опорні джерела та ін.