设计高精度工业传感系统前端

工业和过程控制应用程序收集大量精确的温度,压力和应变数据,用于上游决策。设计人员面临的挑战是这些应用需要多个高精度通道,以保持频域的高精度。
本文讨论了精确,高性能工业传感和信号转换前端的关键组件和参数要求。由于噪声是精确度的决定因素,最终合适的解决方案可以解决噪声问题。

系统总览

高精度18位工业传感前端系统应包含经济高效的隔离式多通道数据采集(DAQ)结构,可以管理工业信号电平。从输入到输出,将要描述的多通道高精度电路从一个八输入多路复用器开始,可配置为单端或差分输入通道(图1)。这些多路复用器输入接收用于过程控制的各种传感器输入,例如来自温度,压力和光学传感器的输入。
八输入,多通道,高精度电路图
图1:用于多个传感器输入的八输入多通道高精度电路,输入多路复用器可配置为单端或差分输入通道。(图片来源:Bonnie Baker)
在图1中,可编程增益仪表放大器(PGIA),表示为“PGA”,跟随输入多路复用器,具有类似的输入和输出摆​​幅电压能力。多路复用器和PGIA级均能够管理高达±10伏的高压输入。
PGIA的共模电压和宽电压输出摆幅与18位模数转换器(ADC)的单电源输入范围不一致。为了准备ADC的信号电压范围,系统需要一个漏斗放大器。漏斗放大器执行三个功能:信号电平转换,从单端到差分的转换,以及衰减,以满足单电源18位ADC的输入要求。
在18位ADC之后,数字隔离器提供电流隔离。这种隔离方式允许每侧之间具有不同的共模电压,而不会干扰信号保真度。

电路细节

如上所述,隔离式多通道DAQ系统具有多路复用器,PGIA级,ADC放大器驱动器和精密全差分逐次逼近寄存器(SAR)ADC。系统使用单个ADC监控8个通道。然而,ADC驱动器和ADC是主要的噪声贡献者(图2)。
具有18位ADC的隔离式多通道DAQ系统原理图(点击放大)
图2:所示为具有18位ADC的隔离式多通道DAQ系统的原理图。ADC和ADC驱动器是主要的噪声贡献者。(图片来源:ADI公司)
噪声级是一个规范,规定了适合该应用电路的元件类型。

选择正确的组件

在图2中,输入多路复用器是ADI公司的 ADG5207BCPZ-RL7,这是一款高压,防闩锁,8通道差分多路复用器,具有3.5皮法(pF)的超低电容和0.35皮克库(pC)的电荷注入。这种低电荷注入使这些开关非常适用于需要低毛刺率和快速建立时间的采样保持DAQ电路。ADG5207可配置为接收单端和差分输入信号。电路中显示的复杂可编程逻辑器件(CPLD)通过使用其地址引脚选择ADG5207的有效通道。
PGIA是ADI公司的AD8251ARMZ-R7。该器件提供1,2,4和8的可选增益。然后,ADI公司的AD8475ACPZ-R7可选增益全差分漏斗放大器为接地共模电压提供2.048伏的电平转换,增益设置为0.4和0.8。AD8475具有每根平方赫兹(nV /√Hz)10纳伏的低输出噪声频谱密度。PGIA和漏斗放大器的增益相结合,为ADI公司的AD4003BCPZ-RL7 18位SAR ADC 提供了适当的满量程输入信号(表1)。
AD8251增益 AD8475增益 累积收益 满量程输入范围 满量程输出范围
1 0.4 0.4 ±10.24 V 0 V至4.096 V.
2 0.4 0.8 ±5.12 V 0 V至4.096 V.
4 0.4 1.6 ±2.56 V 0 V至4.096 V.
8 0.4 3.2 ±1.28 V. 0 V至4.096 V.
表1:输入和输出电压范围对应于AD8251 PGIA的四种增益配置。PGIA和AD8475漏斗放大器的增益相结合,可为AD4003BCPZ-RL7 18位SAR ADC提供合适的满量程输入信号。(表来源:Bonnie Baker)
AD4003BCPZ-RL7是一款全差分,2兆采样/秒(MSPS),18位精度SAR ADC,对于4.096 V基准电压源,其典型信噪比(SNR)为98分贝(dB)。

系统噪声分析

由于其对精度的影响,在设计更高速度的精度DAQ时必须认真考虑噪声。噪声是频域中的一种现象,会影响ADC数字输出的AC和DC精度。噪声是一个随机事件:噪声电路可能会为单次转换提供绝对正确的结果,并且下一次转换会产生非常不准确的结果。设计人员面临的挑战是确定电路中所有器件的可接受噪声贡献。
总系统均方根(rms)噪声等于参考AD4003 ADC输入的电路中所有器件的根和平方,并使用公式1计算:
公式1 公式1
哪里:
n ADG5207 = ADG5207多路复用器均方根噪声贡献
n AD8251 = AD8251 PGIA均方根噪声贡献
n AD8475 = AD8475漏斗放大器均方根噪声贡献
n AD4003 = AD4003 18位ADC均方根噪声贡献
计算出的系统均方根SNR使用AD4003的满量程输入范围或V REF,并使用公式2计算:
公式2 公式2
AD4003 ADC噪声: AD4003 ADC噪声是转换器量化误差和内部热噪声的函数。根据公式3,AD4003均方根输入电压噪声的计算使用满量程输入电压(V REF)和工作SNR:
公式3 公式3
为AD4003的SNR与V的数据表规范REF等于4.096伏特约为98分贝。
AD8475漏斗放大器噪声: AD8475均方根输出噪声是放大器在1千赫兹(kHz)下的频谱噪声密度(εAD8475)和放大器电路的带宽限制的组合。增益为0.4 V / V的AD8475带宽等于150兆赫兹(MHz)。以下电阻 - 电容(RC)滤波器的3 dB转角频率为6.63 MHz。根据公式4,AD8475和输出RC滤波器的组合可产生6.63 MHz的带宽限制:  
公式4 公式4
哪里:
ε AD8475 = 10纳伏/√Hz的。
R = 200欧姆(Ω)
C = 120pF
BW RC = 1 /(2xp×R×C)~6.63MHz
AD8251 PGIA噪声:AD8251  的均方根噪声贡献是其参考输入AD8251,1 kHz点噪声(εAD8251)的函数,单位为nV /√Hz,其增益设置(G AD8251),增益为AD8475(G AD8475)和AD4003(BW RC)输入端的噪声滤波器带宽。它使用公式5计算:
公式5 公式5
对于增益为1 V / V,εAD8251的值等于40 nV /√Hz,对于8 V / V的增益,εAD8251的值等于18 nV /√Hz。
ADG5207多路复用器噪声: Johnson-Nyquist噪声方程提供多路复用器的噪声频谱密度和由此产生的均方根噪声,公式6:
公式6 公式6
哪里:
k B =玻尔兹曼常数= 1.38 x 10 -23
T =以开尔文为单位的温度
R ON =多路复用器“导 ”电阻(根据ADG5207数据表)
使用该公式(公式6)是合适的,因为多路复用器的作用类似于串联电阻。
多路复用器的频谱密度值(εnADG5207)使用公式7得出ADG5207均方根噪声贡献:
公式7 公式7

噪声分析总结

图2中每个分量的总计算噪声贡献和累积增益3.2的结果SNR为84.7 dB。总噪声的最重要因素是AD8251 PGIA和AD4003 ADC(表2)。
累积收益 ADG5207 AD8251 AD8475 AD4003
e n
(nV /√Hz)
V Ñ
(μV RMS)
e n
(nV /√Hz)
V Ñ
(μV RMS)
e n
(nV /√Hz)
V Ñ
(μV RMS)
V Ñ
(μV RMS)
V Ñ
(μV RMS)
信噪比
(dB)
0.4 2.04 2.29 40 44.7 10 28 35.4 63.6 93.2
0.8 2.04 4.57 27 60.4 10 28 35.4 75.5 91.7
1.6 2.04 9.15 22 98.4 10 28 35.4 108.6 88.5
3.2 2.04 18.3 18 161 10 28 35.4 168.2 84.7
表2:累积增益为3.2的多通道DAQ系统的计算SNR性能为84.7 dB。(数据来源:Analog Devices)

电路评估和测试

为了评估和测试该电路,设计人员可以使用EVAL-CN0385-FMCZ电路评估套件,其中包含图2电路(图3)。
Analog Devices EVAL-CN0385-FMCZ评估板的图片
图3:EVAL-CN0385-FMCZ评估板可用于试验本文中描述的DAQ前端设计。(图片来源:ADI公司)
CN-0385设计支持包包含了完整的电路原理图和布局的支持材料。评估套件还包含EVAL-SDP-CH1Z控制器板,便于数据采集(图4)。
用于评估DAQ前端的测试设置功能布局图
图4:测试设置功能布局以评估DAQ前端。(图片来源:ADI公司)
EVAL-CN0385-FMCZ电路板的性能结果显示与噪声计算密切匹配的值(表3)。
累积收益 信噪比(dB) 噪声(μV RMS) THD(dB)
0.4 93.9 55.2 -99.2
0.8 92.8 62.6 -98.5
1.6 90.6 80.7 -97.0
3.2 88.0 108.9 -94.6
表3:EVAL-CN0385-FMCZ板的SNR,噪声和总谐波失真(THD)性能,对于10 kHz满量程正弦波输入,累积增益为0.4,0.8,1.6和3.2。(数据来源:Analog Devices)
音频精度SYS-2700将信号生成为差分输入模式。示出了10kHz输入信号快速傅立叶变换(FFT)图(图5,6,7和8)。
用于10 kHz,20伏pp输入的FFT图
图5:10 kHz时的FFT,20 V pp输入,单个静态通道上的增益= 0.4。(图片来源:ADI公司)
用于10 kHz,10伏pp输入的FFT图
 6:10 kHz时的FFT,10 V pp输入,单个静态通道上的增益= 0.8。(图片来源:ADI公司)
用于10 kHz,5伏pp输入的FFT图
图7:10 kHz时的FFT,5 V pp输入,单个静态通道上的增益= 1.6。(图片来源:ADI公司)
用于10 kHz,2.5伏pp输入的FFT图
图8:单个静态通道上10 kHz,2.5伏pp输入的FFT,增益= 3.2。(图片来源:ADI公司)
如图所示,EVAL-CN0385-FMCZ评估板内的ADG5207,AD8251,AD8475和AD4003信号链的性能与早期计算非常接近。

结论

在工业和过程控制环境中,有大量的数据收集活动,包括精确温度,压力和应变数据的收集。这些应用需要多路复用的高精度通道,同时在频域中保持高精度和低噪声。理想的模拟测量前端具有多路复用器PGIA和18位,2.0 MSPS精密ADC。ADC对来自有源多路复用器通道的信号进行采样。本文为合适的电路提供准确的计算和补充测试数据。测试结果表明,EVAL-CN0385-FMCZ评估板内ADG5207,AD8251,AD8475和AD4003信号链的实际性能非常接近计算值。

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