Багатоканальні системи збору даних на основі прецизійних АЦП

Застосування багатоканальних систем збору даних

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

Структура багатоканальної системи збору даних

До складу багатоканальних систем збору даних повинен входити підсилювач-драйвер, що має малий час встановлення при максимальному вхідному сигналі. Перемикання каналів слід синхронізувати з циклом перетворення АЦП. Структурна схема розглянутої системи збору даних наведена на рис. 1.

Вибір параметрів мультиплексора

Для забезпечення високої точності розглянутої системи час перемикання та смуга пропускання мультиплексора повинні вибиратися з урахуванням параметрів сигналів датчиків. Затримка увімкнення/вимкнення мультиплексора повинна забезпечувати проходження сигналу з виходу датчика на вхід АЦП з мінімальною втратою точності. Провали напруги при перемиканні каналів мультиплексора також не повинні впливати на точність передавання сигналів датчиків до АЦП.

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

Вимоги до підсилювача-драйвера

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

Для зменшення паразитних викидів і захисту від накладання спектрів на вході АЦП вмикають фільтр нижніх частот. Величина опору послідовно ввімкненого резистора фільтра повинна бути такою, щоб підтримувати стійку роботу підсилювача-драйвера.

Функціональна схема системи збору даних

На рис. 4 наведено спрощену функціональну схему багатоканальної системи збору даних. Аналоговий комутатор (мультиплексор) ADG774 виконаний за КМОП-технологією та може комутувати як симетричні, так і несиметричні сигнали додатної або від’ємної полярності.

Підсилювач-драйвер виконаний на основі ОУ ADA4899-1, який відрізняється малими спотвореннями 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, розсіювана потужність не перевищує 5 мВт.

На рис. 5 наведено залежність опору замкненого каналу мультиплексора від величини вхідної напруги в діапазоні від 0 до 5 В за різних значень температури навколишнього середовища.

Характеристики підсилювача-драйвера

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. Час встановлення вихідного сигналу підсилювача амплітудою 2 В з похибкою не більше 0,1% становить 50 нс (рис. 6).

Характеристики АЦП та опорного джерела

Прецизійний АЦП поразрядного врівноваження з диференційним входом AD7960 має роздільну здатність 18 біт. Його інтегральна нелінійність становить ±0,8 ЄМР, відношення сигнал/шум – 99 дБ, нелінійні спотворення –117 дБ. Максимальна частота вибірки цього АЦП – 5 МГц. За такої частоти вибірки потужність розсіювання перетворювача не перевищує 47 мВт.
Зазначимо, що напруги живлення АЦП AD7960 5 та 1,8 В формуються лінійними LDO-стабілізаторами ADP710 та 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 кола опорної напруги за великого ємнісного навантаження. Цифровий інтерфейс AD7960 виконаний на основі LVDS-логіки.

Похибки та перехресні завади

Якщо обробка даних здійснюється за одним каналом, максимальна частота вибірки системи збору та обробки даних становить 5 МГц, при цьому забезпечується точність не менше 14 розрядів. При організації багатоканальної обробки даних похибка системи визначається заданою продуктивністю. При цьому мінімальна похибка, зумовлена перехресною завадою, як видно з рис. 7, становить 0,01%.

Залежність похибки систем збору даних від величини вхідного сигналу наведена на рис. 8, причому мінімальне значення похибки, зумовленої перехресною завадою, не перевищує 0,01% при амплітуді вхідного сигналу, що становить 10% від максимального значення.

З урахуванням малих габаритів системи збору даних і високої тактової частоти необхідно забезпечувати ретельне трасування друкованої плати. Приклад такої плати розмірами 69×85 мм наведено на рис. 9. Шини живлення АЦП та опорних сигналів при проєктуванні такої плати повинні бути рознесені. Розв’язувальні конденсатори мають бути розташовані в безпосередній близькості до ІМС АЦП. Шини землі, живлення та тактових сигналів повинні бути відокремлені від шин вхідних аналогових сигналів.

ВИСНОВКИ

1. Мініатюрні багатоканальні системи збору даних з малим енергоспоживанням знаходять широке застосування у промисловому та медичному приладобудуванні.

2. Реалізація таких систем може бути виконана на основі ІМС компанії Analog Devices, зокрема багатоканальних мультиплексорів, прецизійних підсилювачів і АЦП, опорних джерел тощо.