Pytanie:

Czy istnieje pojedynczy układ, który pozwoli na podanie małego sygnału np. z sensora na wejście przetwornika ADC?

Odpowiedź:

Tak, najnowsza rodzina wzmacniaczy pomiarowych Analog Devices jest w stanie stłumić napięcie współbieżne (ang. common-mode), wzmocnić sygnał różnicowy i dopasować poziom sygnału do wymagań przetwornika analogowo-cyfrowego, chroniąc jednocześnie przetwornik przed przepięciem.

Jednym z najbardziej powszechnych wyzwań w niezliczonych projektach w przemyśle, motoryzacji, oprzyrządowaniu i wielu innych jest prawidłowe podłączenie małego sygnału z czujnika do przetwornika ADC w celu digitalizacji i akwizycji danych. Sygnał z czujników jest zazwyczaj słaby, może być zaszumiony, działać jak źródło o bardzo wysokiej impedancji i w dodatku być obarczony wysoką współbieżną składową stałą. Wejście przetwornika ADC nie przepada za żadną z tych rzeczy.

W tym artykule przedstawię najnowsze układy zintegrowane, które są w stanie dać odpowiedź na prośby inżynierów o pomoc wykraczającą poza obecnie dostępne rozwiązania. Szczegółowo omówię także przebieg procesu projektowania umożliwiający skonfigurowanie kompletnego wzmacniacza instrumentalnego umożliwiającego sterowanie wejścia ADC małym sygnałem z sensora.

Rysunek 1. Wielkie wyzwanie: jak przesłać sygnał z czujnika do wejścia ADC?

Co najlepiej podłączyć do czujnika i dlaczego sprawia to problemy?

Najkrótsza odpowiedź na to pytanie to wzmacniacz pomiarowy. Właśnie na wejście wzmacniacza najchętniej podamy mały sygnał analogowy z wyjścia czujnika.

Wzmacniacze pomiarowe prawdopodobnie mają wystarczającą precyzję i dostatecznie niski poziom szumów, aby nie zakłócać małego sygnału wejściowego. Mają także wejścia różnicowe odpowiednie dla różnych źródeł sygnałów wejściowych, takich jak tensometry, czujniki ciśnienia itp. Będą też w stanie usunąć każde wykryte napięcie współbieżne, wzmacniając wyłącznie mały sygnał, który nas interesuje. Wzmacniacze pomiarowe mają ogromną impedancję wejściową, która nie obciąża czujnika, co sprawia, że układ przetwarzania sygnału nie ma wpływu na sygnał wejściowy. Co więcej, pozwalają one osiągnąć duże wzmocnienia, a także dobrać wzmocnienie z szerokiego zakresu, zwykle za pomocą pojedynczego rezystora zewnętrznego. Umożliwia to maksymalną elastyczność w dostosowywaniu małego sygnału do napięć znacznie przekraczających poziom szumów ścieżki sygnału, pasujących do wejść przetwornika ADC.

Wzmacniacze pomiarowe zaprojektowano z myślą o precyzji, są one wewnętrznie skompensowane i zachowują swoje parametry w szerokim zakresie temperatur, a także są odporne na zmiany napięcia zasilania. Utrzymują swoją dokładność także dzięki bardzo niskiemu błędowi wzmocnienia, który ogranicza błąd pomiaru lub sygnału niezależnie od wahań parametrów pracy.

Co najchętniej widziałoby wejście przetwornika analogowo-cyfrowego?

Wejście ADC również nie jest obciążeniem najłatwiejszym do sterowania. Wprowadzenie ładunku z wewnętrznego kondensatora, oznaczonego na rysunku 2 jako C_DAC, jest uruchamiane nagłą zmianą przed kondensatorem. Sprawia to, że dostarczanie wysoce liniowego i ustalonego sygnału do kwantyzacji przez przetwornik ADC jest zadaniem trudnym. To, co steruje wejściem przetwornika, musi być w stanie obsłużyć te duże zastrzyki ładunku i szybko stabilizować się przed następnym cyklem konwersji. Ponadto szum i zniekształcenia sterownika nie mogą stanowić ograniczenia w kontekście rozdzielczości przetwornika ADC (liczby bitów).

Rysunek 2. Sterowanie wejściem ADC to prawdziwe wyzwanie

Wymagania te nie są trywialne, zwłaszcza w przypadku sterownika o niskim zużyciu energii. Ponadto napięcia robocze przetworników zmniejszają się z dnia na dzień w ramach modernizacji procesów półprzewodnikowych. Niepożądanym efektem ubocznym takiego trendu jest to, że wejścia są coraz bardziej podatne na przepięcia i łatwiejsze do uszkodzenia. Wymaga to stosowania zewnętrznych obwodów, które chronią przed takim przepięciem. Nie powinny one jednak ograniczać szerokości pasma, powodować żadnych zniekształceń, ani też dodawać żadnego mierzalnego szumu do sygnału. Jest również wysoce pożądane, aby cały obwód reagował szybko, a także natychmiastowo i łagodnie wracał do normalnej pracy po obsłużeniu przepięcia.

Dodatkowe wyzwanie stanowi przesunięcie wartości sygnału wejściowego tak, aby był zgodny z zakresem analogowego napięcia wejściowego przetwornika ADC. Wszelkie elementy obwodu dodane w celu osiągnięcia tego celu podlegają wszystkim wymaganiom wymienionym wcześniej (to znaczy niskim zniekształceniom, niskim szumom, wystarczającej przepustowości itp.).

Esencja problemu: gdyby tylko wzmacniacz pomiarowy mógł bezpośrednio sterować wejściem ADC

Mimo bardzo licznych zalet wzmacniaczy pomiarowych, mają one także pewne wady, które wymagają zwiększenia liczby elementów obwodu celem ukończenia ścieżki od świata fizycznego (czujnik) do świata cyfrowego (ADC). Przy tradycyjnym podejściu wzmacniacz pomiarowy nie jest pierwszym wyborem do sterowania skomplikowanym wejściem przetwornika ADC (niektóre przetworniki ADC są jeszcze bardziej wymagające). Wzmacniacz robi już tak wiele, że wymaganie, aby robił jeszcze więcej wydaje się niesprawiedliwe.

Pokonanie zniekształceń harmonicznych sterownika przetwornika ADC stanowi nie lada wyzwanie. Oto wyrażenie pozwalające obliczyć jakiego maksymalnego poziomu zniekształceń wymaga przetwornik ADC w zależności od rozdzielczości:

• SINAD: współczynnik sygnału do szumu (SNR) + zniekształcenia,
• ENOB: liczba bitów przetwornika (ang. effective number of bits).

Tak więc dla 16 bitów, wartość SINAD ≥ 98 dB.

Dostępne obecnie na rynku wzmacniacze pomiarowe zazwyczaj nie są przeznaczone do sterowania wejściem ADC. Najczęstszym czynnikiem ograniczającym możliwość bezpośredniego sterowania przetwornikiem są brak liniowości lub wysokie zniekształcenia harmoniczne (określane przez współczynnik całkowitych zniekształceń harmonicznych – THD). Złożony sygnał poddany digitalizacji, gdy zostanie zanieczyszczony elementami zniekształcającymi, będzie nie do odróżnienia od samego zanieczyszczenia, a tym samym dane staną się bezużyteczne. Jak wyjaśniono wcześniej, sterownik powinien również być w stanie szybko ustabilizować się po nagłym wstrzyknięciu ładunku do kondensatora wejściowego przetwornika.

Ulepszenie współczesnych rozwiązań

Dzięki nowej rodzinie wzmacniaczy dysponujemy teraz urządzeniami, które zrobią wszystko to, co tradycyjnie robił wzmacniacz pomiarowy. Ponadto mogą bardzo dobrze sterować przetwornikiem ADC i chronić jego wejście przed przepięciami. Układy LT6372-1 (dla wzmocnień od 0 dB do 60 dB) i LT6372-0.2 (dla wzmocnienia/tłumienia od –14 dB do +46 dB) mogą wypełnić rolę precyzyjnego interfejsu przetwornika, który jest w stanie bezpośrednio sterować wejście ADC.

Rysunek 3. Wizualizacja idealnego wzmacniacza / sterownika ADC

Istnieją oczywiste zalety korzystania z precyzyjnego wzmacniacza pomiarowego o niskim poziomie szumów (takiego, jak układy z rodziny LT6372) do bezpośredniego sterowania wejściem analogowym ADC, bez konieczności dodawania kolejnego stopnia wzmocnienia lub buforowania. Niektóre z tych korzyści to zmniejszona liczba komponentów, zużycie energii, koszt i powierzchnia na płytce drukowanej, a także wysoki współczynnik tłumienia napięcia współbieżnego, doskonała precyzja DC, niski poziom szumów 1/f (tzw. szumu różowego) i możliwość wyboru wzmocnienia za pomocą pojedynczego komponentu.

Zalety układów LT6372

Wiele szybkich wzmacniaczy operacyjnych wybieranych do sterowania ADC może nie mieć niskiego szumu 1/f, co oferują układy z rodziny LT6372 dzięki zastosowaniu zastrzeżonego procesu produkcyjnego. Ponadto konieczne może być dodanie dodatkowych stopni bufora i wzmacniacza w celu wzmocnienia małego sygnału z czujnika. Przy bezpośrednim sterowaniu ADC nie trzeba się zmagać z żadnymi dodatkowymi źródłami szumu ani składowymi stałymi DC.

Układy LT6372-1 i LT6372-0.2, z ich wyjątkowo wysoką impedancją wejściową, mogą bezpośrednio łączyć się z sensorem lub innym podobnym wejściem sygnału, zapewniając duże wzmocnienie (LT6372-1) lub tłumienie (LT6372-0.2) bez niepotrzebnego obciążenia układu. Dzięki niskim zniekształceniom i szumom zapewnią dokładną konwersję bez degradacji sygnału dla dowolnego przetwornika ADC o rozdzielczości 16-bitów lub niższej oraz częstotliwości próbkowania do 150 kSPS. Rysunek 4 przedstawia szerokość pasma, jaką każde urządzenie może osiągnąć przy danym wzmocnieniu.

Rysunek 4. Odpowiedzi częstotliwościowe układów LT6372-1 i LT6372-0.2 przy różnych wzmocnieniach

Dzięki wykresom zniekształceń w zależności od częstotliwości z rysunku 5 można upewnić się, że dla danego przetwornika ADC i dla interesującej nas częstotliwości, zniekształcenia przetwornika nie są dominującą składową całkowitej wartości zniekształceń harmonicznych THD. Na przykład przetwornik ADC LTC2367-16 ma wartość SINAD na poziomie 94,7 dB. Zgodnie z rysunkiem 5, przy wyborze układu LT6372-1, dla częstotliwości mniejszych niż ok. 5 kHz wzmacniacz nie będzie dominującym źródłem zniekształceń.

Rysunek 5. Całkowite zniekształcenia harmoniczne w zależności od częstotliwości dla układu LT6372-1

Garść konkretów na temat używania układu LT6372-1 jako sterownika przetwornika ADC

Oprócz wspomnianych wcześniej zalet, rodzina LT6372 oferuje także architekturę split-reference (pokazaną na rysunku 6 jako oddzielne piny RF1 i RF2), która pozwala w elegancki sposób, bezpośrednio i wydajnie przesunąć sygnał do pełnej skali zakresu napięcia ADC, bez konieczności użycia dodatkowego napięcia odniesienia lub innych zewnętrznych obwodów. Zmniejszamy w ten sposób koszty i złożoność systemu. W przypadku większości przetworników ADC, pin REF2 (pokazany tutaj jako powiązany ze stałym napięciem V_OCM) jest powiązany z napięciem V_REF przetwornika ADC. Zapewnia to średni poziom wejścia analogowego ADC na poziomie V_REF/2.

Rysunek 6. Architektura split-reference pozwala przesunąć sygnał podawany na wejście analogowe ADC

Wbudowane w układy z rodziny LT6372 zaciski wyjściowe (CLHI i CLLO) zapewniają, że czułe wejście ADC nie zostanie przesterowane lub nawet uszkodzone przez stany przejściowe dodatnie i ujemne. Pozwalają one na niezniekształconą zmianę sygnału wyjściowego aż do napięcia na zacisku, a następnie gwarantują szybką reakcję i przywrócenie odpowiedniego napięcia, aby zapewnić ochronę przetwornika ADC oraz szybki powrót do normalnej pracy po możliwym stanie przejściowym wyzwolonym na którymkolwiek z zacisków.

Sterowanie przetwornika typu SAR

Wysterowanie wejścia analogowego niektórych przetworników ADC typu SAR stanowi dla wzmacniacza nie lada wyzwanie. Wzmacniacz musi charakteryzować się niskim poziomem szumów i krótkim czasem odpowiedzi, a także wysoką precyzją DC, aby utrzymać niepożądane zakłócenia sygnału na poziomie najwyżej jednego bitu. Wyższe częstotliwości próbkowania i przetworniki ADC wyższego rzędu stawiają wzmacniaczowi jeszcze wyższe wymagania. Rysunek 7 przedstawia wejście typowego przetwornika ADC typu SAR.

Rysunek 7. Wejście ADC typu SAR w trybie akwizycji/próbkowania

Położenia przełączników pokazane na rysunku 7 odpowiadają trybowi próbkowania lub akwizycji, Wejście analogowe jest podłączone do kondensatora próbkującego C_DAC przed rozpoczęciem konwersji w następnej fazie operacji.

Przed rozpoczęciem fazy konwersji przełącznik S2 wyładowuje napięcie C_DAC do 0 V lub innego punktu polaryzacji, np. FS/2. Na początku okresu próbkowania, kiedy S1 zamyka się, a S2 otwiera się, różnica napięcia między VSH a wejściem analogowym powoduje przepływ prądu przejściowego tak, że C_DAC może ładować się zgodnie z analogowym napięciem wejściowym. Prąd ładowania może wynosić nawet 50 mA dla przetworników ADC o wyższej częstotliwości próbkowania. Kondensator C_EXT pomaga złagodzić skokową zmianę napięcia wyjściowego wzmacniacza spowodowanego skokiem prądu, ale jego zakłócenia wpływają na wzmacniacz i musi on ustabilizować się przed końcem okresu akwizycji. Rezystor R_EXT izoluje sterownik od C_EXT, a także poprawia stabilność układu podczas ładowania dużego kondensatora.

Wybór wartości dla R_EXT i C_EXT jest kompromisem pomiędzy większą izolacją od skoku prądu a pogorszeniem czasu stabilizacji z powodu utworzonego w ten sposób filtra dolnoprzepustowego. Ten filtr może również pomóc w redukcji szumów pozapasmowych i poprawie SNR, chociaż nie jest to jego główne zadanie.

Dobór wartości komponentów RC interfejsu przetwornika ADC

Na dobór wartości rezystancji R_EXT i pojemności C_EXT ma wpływ wiele czynników. Oto podsumowanie parametrów, które wpływają na odpowiedź dynamiczną przetwornika ADC mierzoną za pomocą transformaty FFT lub w inny sposób:

• C_EXT: Działa jak bufor wejściowego ładunku elektrycznego, minimalizując skok napięcia i w ten sposób skracając czas stabilizacji.
  • Jeśli jest zbyt duży: może wpływać na stabilność wzmacniacza i zmniejszać częstotliwość działania filtra dolnoprzepustowego do poziomu uniemożliwiającego przepływ sygnału.
  • Jeśli jest zbyt mały: nagły napływ ładunku do wejścia ADC może nie zdążyć się w porę ustabilizować.
• R_EXT: zapewnia stabilność działania przez izolację wyjścia wzmacniacza i pojemności C_EXT.
  • Jeśli jest zbyt duża: może spowodować zbytni wzrost czasu stabilizacji. Może też wpłynąć na zwiększenie całkowitych zakłóceń harmonicznych z punktu widzenia nieliniowej impedancji wejściowej ADC. Może także zwiększyć błąd spadku napięcia na rezystancji.
  • Jeśli jest zbyt mała: Wzmacniacz może pracować niestabilnie w związku z utratą możliwości stabilizacji z powodu pojemności C_EXT.

Oto kilka kroków projektowych mających na celu dobór wartości R_EXT i C_EXT przy użyciu przetwornika ADC LT2367-16, sterowanego przez LT6372-1 z maksymalną częstotliwością wejściową f_IN = 2 kHz, przy częstotliwości próbkowania 150 kSPS (pełne wyprowadzenie niektórych z poniższych wzorów znajduje się w pierwszej pozycji z bibliografii):

Wybieramy wystarczająco dużą wartość C_EXT, aby działała jako bufor minimalizujący napływ ładunku

Gdzie:

C_DAC: pojemność wejściowa ADC = 45 pF (LTC2367-16)

→ C_EXT = 10 nF (wybrana)

Obliczamy skok napięcia wejściowego ADC V_STEP wykorzystując:

Gdzie:

• V_REF = 5 V (LTC2367-16),
• C_DAC: kondensator na wejściu ADC = 45 pF (LTC2367-16),
• C_EXT = 10 nF (obliczone wcześniej).

   → V_STEP = 22 mV (obliczone)

Uwaga: Powyższy wzór na V_STEP zakłada, że pojemność C_DAC zostaje rozładowana do uziemienia po każdym cyklu próbkowania, co jest prawdą w przypadku LTC2367-16. Wzór na V_STEP z pozycji podanej w bibliografii czyni inne założenia. Przeznaczony jest bowiem do architektur w których napięcie C_DAC utrzymuję się pomiędzy próbkami.

Obliczamy ile stałych czasowych N_TC będących iloczynem R_EXT × C_EXT wymagana jest do stabilizacji skoku wejściowego:

Gdzie:

• V_STEP: skok napięcia wejściowego ADC obliczony wcześniej,
• V_{HALF_LSB}: wielkość LSB/2 (ang. least significant bit) wyrażona w woltach. Przy 5 V FS i 16 bitach, jest to 38 µV (= 5 V/2¹⁷)

   → NTC = 6,4 stałych czasowych

Obliczamy stałą czasową, τ:

Gdzie:

• t_ACQ: czas akwizycji ADC; t_ACQ = t_CYC – t_HOLD

Zakładamy częstotliwość próbkowania 150 kSPS:

• t_CYC = 6,67 μs (= 1/150 kHz),
• t_HOLD = 0,54 μs (LTC2367-16).

więc: t_ACQ = 6,13 μs

   → τ ≤ 0,96 µs

Przy znanych τ i C_EXT, można obliczyć R_EXT:

   → R_EXT ≤ 96 Ω

Mamy teraz wartości zewnętrznego układu RC, które umożliwiają prawidłowe ustawienie wybranego ADC. Jeśli obliczony R_EXT jest zbyt wysoki, C_EXT można zwiększyć. Wtedy ponownie obliczamy R_EXT, aby zmniejszyć jego wartość i odwrotnie. Rysunek 8 przedstawia wartości R_EXT dla różnych wartości C_EXT. Pozwala to uprościć zadanie podczas pracy w warunkach podanych w przykładzie.

Rysunek 8. Wartości zewnętrznego układu RC przetwornika ADC pozwalające na stabilną pracę

Możemy skorzystać z poprzednich kroków, aby znaleźć odpowiednie wartości początkowe R_EXT i C_EXT. Należy przeprowadzić testy laboratoryjne i zoptymalizować te wartości w razie potrzeby, mając na uwadze wpływ takich zmian na wydajność.

Podsumowanie

Wprowadzono nową rodzinę wzmacniaczy pomiarowych, pozwalających połączyć czujnik i układ akwizycji danych. Cechy tych urządzeń zostały szczegółowo omówione wraz z rzeczywistym przykładem obejmującym projekt komponentów umieszczonych na wejściu ADC, zapewniający zamierzoną rozdzielczość przetwornika.

Bibliografia

1. lan Walsh. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue, Grudzień 2012.