БАГАТОКАНАЛЬНІ СИСТЕМИ ЗБОРУ ДАНИХ НА ОСНОВІ ПРЕЦИЗІЙНИХ АЦП

Багатоканальні системи збору даних на базі прецизійних АЦП поразрядного урівноваження

Багатоканальні системи збору даних широко застосовуються в промисловості та медицині, в пристроях контролю та управління.

Безліч датчиків підключається до АЦП через оптичні та проводові 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 проектованого виробу в цілому. Використання в таких системах АЦП поразрядного урівноваження 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 урівноваження.

Структурна схема системи

До складу багатоканальних систем збору даних повинен бути включений 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.

Для забезпечення високої точності розглянутої системи час перемикання та смуга пропускання мультиплексора повинні вибиратися виходячи з параметрів сигналів датчиків. Затримка ввімкнення/вимкнення мультиплексора повинна забезпечувати проходження сигналу з виходу датчика на вхід АЦП з мінімальною втратою точності. Провалы напруги при перемиканні 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 вмикати конденсатори великої ємності, як показано на рис. 2.

Вимоги до драйвера АЦП

Особливі вимоги в таких системах висуваються до драйвера на вході АЦП. Він повинен відпрацьовувати стрибки напруги на вході, для чого повинен 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 та захисту від накладення спектрів на вході АЦП вмикають фільтр нижніх частот. Величина опору послідовно ввімкненого резистора фільтра повинна бути такою, щоб підтримувати стійку роботу підсилювача-драйвера.

На рис. 4 наведена спрощена функціональна схема 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.

Підсилювач-драйвер виконаний на основі ОП ADA4899-1, що 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 урівноваження 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 наведена 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 (рис. 6).

Прецизійний АЦП AD7960

Прецизійний АЦП поразрядного урівноваження з диференціальним входом AD7960 має роздільну здатність 18 біт. Його інтегральна нелінійність становить ±0,8 LSB, відношення сигнал/шум 99 дБ, нелінійні спотворення -117 дБ. Максимальна частота вибірки цього АЦП — 5 МГц. При такій частоті вибірки потужність розсіювання перетворювача не перевищує 47 мВт. Відзначимо, що напруги живлення АЦП AD7960 5 і 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. В якості буферного каскаду опорного джерела використовується підсилювач AD8031, який забезпечує стійку роботу ланцюга опорної напруги при великій ємнісній навантазі. Цифровий інтерфейс AD7960 виконаний на основі LVDS-логіки.

Точність та продуктивність системи

Якщо обробка даних здійснюється по одному каналу, максимальна частота вибірки системи збору та обробки даних становить 5 МГц, причому буде забезпечена точність не менше 14 розрядів. При організації багатоканальної обробки даних похибка системи визначається заданою продуктивністю. При цьому мінімальна похибка, викликана перехресною перешкодою, як випливає з рис. 7, становить 0,01%. Залежність похибки систем збору даних від величини вхідного сигналу наведена на рис. 8, причому мінімальна величина похибки, викликаної перехресною перешкодою, не перевищує 0,01% при амплітуді вхідного сигналу, що становить 10% від максимального значення.

Топологія друкованої плати

Враховуючи малі габарити системи збору даних та високу тактову частоту, необхідно забезпечувати ретельну розводку друкованої плати. Приклад такої плати розмірами 69×85 мм наведений на рис. 9. Шини живлення АЦП та опорних сигналів при проектуванні такої плати повинні бути рознесені. Розв’язувальні конденсатори повинні бути розташовані в безпосередній близькості від ІМС АЦП. Шини землі, живлення та тактових сигналів повинні бути рознесені з шинами вхідних аналогових сигналів.

Висновки

1. Мініатюрні багатоканальні системи збору даних з малим споживанням знаходять широке застосування в 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.