Wykorzystanie izolacji w celu zachowania dokładności i poprawy parametrów akwizycji danych

Zapewnienie izolacji w precyzyjnym torze pomiaru sygnału analogowego jest trudnym zadaniem. Aby utrzymać parametry łańcucha sygnałowego pomimo czynników zakłócających sygnał i nieuniknionego dryftu temperaturowego, wymagana jest dbałość o szczegóły. Dla wielu projektantów pomocne może być lepsze zrozumienie związanych z tym problemów przed wyborem i użyciem odpowiedniej technologii izolacji.

W niniejszym artykule omówiono różne kwestie związane z rozwojem i optymalizacją izolowanych systemów akwizycji danych (DAQ) wysokiej klasy, przy czym określenie „wysokiej klasy” obejmuje atrybuty precyzji, dokładności, integralności sygnału i powtarzalności. Następnie przedstawiono rozwiązania łańcucha sygnałowego systemów akwizycji danych (DAQ) firmy Analog Devices i pokazano, w jaki sposób można je wykorzystać do stworzenia takiego systemu.

Optymalizacja poszczególnych bloków funkcjonalnych

Typowy system akwizycji danych (DAQ) składa się z szeregu bloków funkcjonalnych, które umożliwiają przekazywanie sygnału z systemu fizycznego przez czujnik. Stamtąd przesyłany jest do analogowego układu front-end (AFE) w celu kondycjonowania sygnału, przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) w celu digitalizacji, a następnie do komputera odczytowego lub kontrolera (którym może być zarówno mikrokontroler, jak i znacznie większy system (ilustracja 1).

Ilustracja 1: system akwizycji danych (DAQ) składa się z dobrze zdefiniowanego, liniowego łańcucha sygnałowego pomiędzy mierzonym systemem fizycznym i czujnikiem oraz procesorem hosta. (Źródło ilustracji: Bill Schweber)

Zapewnienie precyzji i dokładności systemu akwizycji danych (DAQ) rozpoczyna się od wyboru komponentów układu front-end do kondycjonowania sygnału, w szczególności przedwzmacniacza przetwornikowego. Niskie szumy są jednym z wielu krytycznych czynników dla tej funkcji, ponieważ szumy wewnętrzne są trudne do zredukowania na późniejszym etapie projektowania i będą wzmacniane wraz z pożądanym sygnałem. W tym miejscu ustalany jest podstawowy stosunek sygnału do szumu (SNR), który w nieunikniony sposób następnie się pogarsza, gdy sygnał przechodzi przez dodatkowe stopnie.

Z tego powodu analogowe układy front-end (AFE) często wykorzystują jednofunkcyjny wzmacniacz operacyjny z optymalizacją szumów. Dobrym wyborem do przedwzmacniacza układu front-end jest szybki wzmacniacz operacyjny JFET ADA4627-1BRZ-R7 30V (±15V) firmy Analog Devices, charakteryzujący się niskimi szumami i niskimi prądami polaryzacji. Wśród wielu specyfikacji zoptymalizowanych pod kątem czujników, charakteryzuje się on niskim napięciem niezrównoważenia 200µV (maks.), dryftem niezrównoważenia 1µV/°C (typ.) oraz wejściowym prądem polaryzacji 5pA (maks.). Krytyczna specyfikacja szumów napięcia wynosi 6,1nV/√Hz przy 1kHz (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wzmacniacz operacyjny ADA4627 JFET charakteryzuje się szumami napięcia 6,1nV/√Hz (1kHz). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Izolacja niesie ze sobą wiele korzyści

Po wzmocnieniu i digitalizacji sygnału, kolejnym etapem jest ustanowienie izolacji galwanicznej między sygnałem a sekcją cyfrową systemu i powiązanym procesorem. Istnieją trzy główne powody tego etapu:

1. Redukcja szumów i zakłóceń: izolacja galwaniczna pozwala wyeliminować wahania napięcia sygnału wspólnego, pętle uziemienia i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Zapobiega również zniekształceniu pobranego sygnału przez zewnętrzne źródła szumów, zapewniając czystsze i dokładniejsze pomiary.
2. Eliminacja pętli uziemienia: pętle uziemienia mogą wprowadzać różnice napięcia, które zniekształcają mierzony sygnał. Izolacja przerywa ścieżkę pętli uziemienia, usuwając w ten sposób zakłócenia spowodowane zmianami potencjałów uziemienia i poprawiając dokładność pomiaru.
3. Bezpieczeństwo i ochrona: bariery izolacyjne zapewniają bezpieczeństwo elektryczne, zapobiegając doprowadzaniu niebezpiecznych skoków napięcia, stanów nieustalonych lub udarów do wrażliwych komponentów pomiarowych. Chroni to obwody pomiarowe i podłączone urządzenia, zapewniając bezpieczną i niezawodną pracę. Ponadto bariery takie eliminują ryzyko elektryczne dla użytkowników, jeśli czujnik niskiego poziomu choćby na krótko zetknie się z linią wysokiego napięcia lub prądu zmiennego.

Dostępnych jest kilka technik implementacji izolacji sygnałów cyfrowych w oparciu o zjawiska magnetyczne, optyczne, pojemnościowe, a nawet częstotliwości radiowe (RF). Firma Analog Devices oferuje grupę rozwiązań o wysokich parametrach, w tym urządzenie ADUM152N1BRZ-RL7, tj. pięciokanałowy izolator cyfrowy oparty na zastrzeżonej technologii iCoupler tej firmy (ilustracja 3).

Ilustracja 3: pięciokanałowy izolator cyfrowy ADuM152N wykorzystuje zastrzeżoną implementację sprzężenia magnetycznego w celu uzyskania wysokich parametrów działania. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Omawiane izolatory łączą w sobie szybkie obwody CMOS i technologię monolitycznego transformatora z rdzeniem powietrznym. Aby zapewnić parametry działania współmierne do potrzeb szybkich łączy cyfrowych, maksymalne opóźnienie propagacji wynosi 13ns przy zniekształceniu szerokości impulsu poniżej 4,5ns dla napięcia 5V, a ścisłe dopasowanie międzykanałowe opóźnienia propagacji wynosi 4,0ns (maks.). Dostępna jest podobna wersja dwukanałowa urządzenia, ADUM120N1BRZ-RL7, w której całkowita liczba izolowanych kanałów może być dopasowana do szerokości magistrali.

Omawiane izolatory są zoptymalizowane pod kątem wysokich prędkości i gwarantują szybkość transmisji danych 150Mbit/s. Oferują one wysoką odporność na impulsowe zakłócenia w trybie wspólnym (CMTI) wynoszącą 100kV/μs, napięcie znamionowe 3kVrms i są zgodne ze wszystkimi stosownymi przepisami.

Izolacja sygnału to tylko część ogólnego tematu izolacji. Wszystkie szyny zasilające system akwizycji danych (DAQ) prądem stałym również muszą być izolowane. Najczęściej realizuje się to wykorzystując transformator w charakterze elementu izolacyjnego.

Jeśli głównym źródłem zasilania jest już prąd zmienny, jest on przepuszczany przez transformator, a następnie prostowany i regulowany; jeśli źródłem zasilania jest prąd stały, należy go najpierw przerywać w celu uzyskania przebiegu podobnego do prądu zmiennego. Jest to znacznie uproszczone dzięki zastosowaniu takich komponentów, jak niskoszumowy sterownik prądu stałego LT3999 o natężeniu 1A i częstotliwości od 50kHz do 1MHz.

Kompletny, wysokowydajny system akwizycji danych (DAQ) wymaga dodatkowych komponentów rdzeniowych i peryferyjnych. Ich konstrukcja i rozmieszczenie muszą zapewniać dokładny pomiar i integralność danych. Oprócz wzmacniaczy i barier izolacyjnych, precyzyjny łańcuch sygnałowy zwykle zawiera elementy filtrujące, przetwornik analogowo-cyfrowy o wysokiej rozdzielczości i przełączniki. Łącznie komponenty te eliminują szumy, minimalizują zakłócenia i zapewniają dokładną reprezentację sygnału.

Kompleksowe rozwiązanie

Przykładem izolowanego łańcucha sygnałowego wykorzystującego wspomniane kluczowe komponenty jest precyzyjna platforma ADSKPMB10-EV-FMCZ, która implementuje jednokanałowy, w pełni izolowany system akwizycji danych (DAQ) o niskiej latencji (ilustracja 4). Rozwiązanie to łączy w sobie wzmacniacz instrumentacyjny o programowanym wzmocnieniu (PGIA) do kondycjonowania sygnału w celu dostosowania do czułości różnych interfejsów czujników z izolacją cyfrową i zasilania w kompaktowej płytce.

Ilustracja 4: precyzyjna platforma ADKSPMB10-EV-FMCZ stanowi implementację jednokanałowego, w pełni izolowanego systemu akwizycji danych (DAQ) o niskiej latencji. Izolację i inne funkcje zapewnia płytka pośrednicząca PMOD-FMC (blok środkowy). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Na potrzeby ewaluacji jest ona skonfigurowana jako rozwiązanie wielopłytkowe, składające się z urządzenia ADSKPMB10-EV-FMCZ w kształcie PMOD (ilustracja 5) wraz z płytką interfejsu platformy demonstracyjnej systemu (SDP) EVAL-SDP-CH1Z. Między tymi dwiema płytkami znajduje się w pełni izolowana płytka pośrednicząca PMOD-FMC.

Ilustracja 5: urządzenie ADSKPMB10-EV-FMCZ (po lewej) łączy się z płytką interfejsu platformy demonstracyjnej systemu (SDP) (nie pokazano) za pośrednictwem płytki pośredniczącej PMOD-FMC (po prawej). Pionowa strefa podziału na płytce pośredniczącej wskazuje miejsce zastosowania bariery izolacyjnej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Urządzenie ADSKPMB10-EV-FMCZ zawiera dyskretny wzmacniacz instrumentacyjny o programowanym wzmocnieniu (PGIA) zbudowany przy użyciu wzmacniacza operacyjnego ADA4627-1. Wzmacniacz instrumentacyjny o programowanym wzmocnieniu (PGIA) ma wysoką impedancję wejściową niezbędną do bezpośredniej współpracy z różnymi czujnikami. Moduł posiada również precyzyjną sieć poczwórnych rezystorów dopasowanych służącą do ustawiania wzmocnienia, multiplekser czterokanałowy oraz sterownik przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) wzmacniacza pełnoróżnicowego do obsługi urządzenia ADAQ4003. Urządzenie ADAQ4003 jest 18-bitowym podsystemem przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i akwizycji danych (DAQ) o częstotliwości próbkowania 2MSPS zaimplementowanym jako moduł μModule.

Moduł ten jest czymś więcej niż tylko przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) wysokiej rozdzielczości. Urządzenie ADAQ4003 wyposażono w wiele technik redukcji szumów, które umożliwiają przechwytywanie sygnałów o wysokiej jakości. Na przykład jednobiegunowy filtr dolnoprzepustowy rezystorowo-kondensatorowy (RC) jest umieszczony pomiędzy wyjściem sterownika przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) a wejściami przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) wewnątrz modułu μModule, aby wyeliminować szumy o wysokiej częstotliwości i zmniejszyć „odbicia” ładunku na wejściu wewnętrznego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).

Ponadto moduł μModule zapewnia oddzielenie torów analogowych i cyfrowych, co pozwala uniknąć przesłuchów i zminimalizować szumy promieniowane.

W pełni izolowana płytka pośrednicząca PMOD-FMC zawiera sterownik prądu stałego LT3999, pięciokanałowe i dwukanałowe izolatory cyfrowe, niskoszumowy regulator napięcia o niskim spadku (LDO) oraz ultraniskoszumowy regulator napięcia o niskim spadku (LDO). Płytka pośrednicząca działa jako mostek i łączy się z płytką interfejsu platformy demonstracyjnej systemu (SDP).

Płytka interfejsu platformy demonstracyjnej systemu (SDP) służy do przetwarzania danych po akwizycji, zarządzania i łączności. Omawiana płytka posiada 160-wtykowe złącze FMC, zasilacz o napięciu 12V=, który jest dodatkowo regulowany i dzielony na partycje dla innych płytek, procesor Blackfin ze sprzętowymi zabezpieczeniami do ochrony kodu i treści, port USB oraz bezpośrednio programowalną macierz bramek (FPGA) Spartan-6.

Parametry działania mówią same za siebie

Ocena działania precyzyjnego systemu akwizycji danych (DAQ) nie jest procesem trywialnym, ponieważ oprzyrządowanie, układ testowy i miary mają znaczenie krytyczne. Podczas gdy z parametrami działania systemów akwizycji danych (DAQ) koreluje wiele parametrów dynamiki, najbardziej znaczące są: zakres dynamiki, stosunek sygnału do szumu (SNR) i całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD).

Zakres dynamiki to zakres pomiędzy poziomem szumów urządzenia a jego określonym maksymalnym poziomem wyjściowym.

Typowy zakres dynamiki tego projektu jest imponujący i wynosi 93dB przy najwyższym ustawieniu wzmocnienia i 100dB przy najniższym ustawieniu (ilustracja 6). Zwiększenie współczynnika nadpróbkowania do 1024× jeszcze bardziej poprawia pomiary, dając maksymalnie odpowiednio 123dB i 130dB.

Ilustracja 6: zakres dynamiki około 100dB całego obwodu i łańcucha sygnałowego, w zależności od wzmocnienia i innych ustawień, wskazuje na wysokowydajny system akwizycji danych (DAQ). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Stosunek sygnału do szumu (SNR) to stosunek amplitudy skutecznej sygnału do średniej wartości pierwiastka z sumy kwadratów (RSS) wszystkich innych składowych widmowych, z wyjątkiem harmonicznych i prądu stałego. Współczynnik zawartości harmonicznych (THD) jest stosunkiem wartości skutecznej sygnału podstawowego do średniej wartości RSS jego harmonicznych.

Stosunek sygnału do szumu (SNR) i współczynnik zawartości harmonicznych (THD) dla tego projektu charakteryzują się wartościami zapewniającymi wyraźnie wysokie parametry działania, ponieważ łańcuch sygnałowy osiąga maksymalny stosunek sygnału do szumu (SNR) na poziomie 98dB (ilustracja 7 (po lewej)) i współczynnik zawartości harmonicznych (THD) na poziomie -118dB (ilustracja 7 (po prawej)), w zależności od ustawień wzmocnienia.

Ilustracja 7: wraz z zakresem dynamiki, wysoki stosunek sygnału do szumu (SNR) (po lewej) i niski współczynnik zawartości harmonicznych (THD) (po prawej) stanowią namacalny dowód znakomitych parametrów systemu akwizycji danych (DAQ) zorientowanego na techniki analogowe. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podsumowanie

Zaprojektowanie i wdrożenie izolowanego, precyzyjnego łańcucha sygnałowego, który zachowuje dokładność, minimalizuje szumy i zakłócenia oraz zapewnia integralność danych, jest ważnym przedsięwzięciem projektowym i wdrożeniowym. Na szczęście można to osiągnąć poprzez rozsądne wykorzystanie precyzyjnego wzmocnienia, technik izolacji, przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) o wysokiej rozdzielczości i modułów oraz niskoszumowego zarządzania zasilaniem, aby umożliwić precyzyjne pomiary, nawet w trudnych warunkach elektrycznych. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu zaawansowanych komponentów firmy Analog Devices, od podstawowych wzmacniaczy operacyjnych po zaawansowane urządzenia izolacyjne, a także niezbędnych funkcji peryferyjnych oraz szczegółowych arkuszy danych i wytycznych dotyczących zastosowań.

Źródło: Wykorzystanie izolacji w celu zachowania dokładności i poprawy parametrów akwizycji danych

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.