Era cyfrowa zmieniła paradygmat, przenosząc inteligencję na obrzeża sieci w celu rozwiązywania nowych i złożonych wyzwań. Właśnie na tych obrzeżach znajduje się rdzeń tej technologii — systemy akwizycji danych (DAQ). W dziedzinie akwizycji danych najważniejsza jest precyzja i niezawodność. Aby zapewnić najwyższy poziom dokładności i integralności, kluczowe stało się wdrożenie izolowanego precyzyjnego łańcucha sygnałowego.

Zrozumienie izolowanego precyzyjnego łańcucha sygnałowego

Izolowany precyzyjny łańcuch sygnałowy odnosi się do systemu lub obwodu zaprojektowanego w celu uzyskania precyzyjnego i dokładnego pozyskiwania i przetwarzania sygnałów przy zachowaniu izolacji elektrycznej od otaczającego środowiska. Izolacja jest często uwzględniana jako część serii etapów kondycjonowania sygnału w dwóch głównych celach: bezpieczeństwie i integralności danych. [1] Izolacja ma również następujące zalety:

• Redukcja szumów i zakłóceń: Dzięki zastosowaniu technik izolacji, takich jak izolacja galwaniczna, wykorzystująca transformatory lub transoptory, łańcuch sygnałowy może wyeliminować wahania napięcia common mode, pętle uziemienia i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Izolacja ta zapobiega zakłócaniu pozyskanego sygnału przez zewnętrzne źródła szumów, zapewniając czystsze i dokładniejsze pomiary.
• Eliminacja pętli uziemienia: Pętle uziemienia mogą powodować różnice napięcia, które zniekształcają mierzone sygnały. Techniki izolacji przerywają ścieżkę pętli uziemienia, skutecznie eliminując zakłócenia spowodowane zmiennymi potencjałami uziemienia, poprawiając w ten sposób dokładność pomiarów.
• Bezpieczeństwo i ochrona: Bariery izolacyjne zapewniają bezpieczeństwo elektryczne, zapobiegając przedostawaniu się niebezpiecznych skoków napięcia, przejściowych lub przepięć do wrażliwych elementów pomiarowych. Chroni to zarówno obwody pomiarowe, jak i podłączone urządzenia, zapewniając bezpieczną i niezawodną pracę. Oprócz ochrony obwodów, izolacja eliminuje również zagrożenia elektryczne, zarówno dla użytkowników końcowych, jak i projektantów pracujących nad systemem.

Ponadto izolowany precyzyjny łańcuch sygnałowy składa się z szeregu komponentów i technik, które współpracują ze sobą, aby zapewnić dokładność pomiarów i integralność danych. Kluczowe komponenty izolowanego precyzyjnego łańcucha sygnałowego obejmują zazwyczaj precyzyjne wzmacniacze, bariery izolacyjne, elementy filtrujące i przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) o wysokiej rozdzielczości. Komponenty te współpracują ze sobą, aby wyeliminować szumy, zminimalizować zakłócenia i zapewnić dokładne odwzorowanie sygnału. Przykład izolowanego precyzyjnego łańcucha sygnałowego wykorzystującego te kluczowe komponenty pokazano na rysunku 1. Ta precyzyjna platforma jest jednokanałowym, w pełni izolowanym systemem akwizycji danych o niskim opóźnieniu. Rozwiązanie to łączy w sobie kondycjonowanie sygnału PGIA, izolację cyfrową i izolację zasilania w kompaktowej płytce. W kolejnych sekcjach omówiono szczegółowo każdy z bloków, w tym ich odpowiednią wydajność i zalety, w porównaniu z nieizolowanym odpowiednikiem.

Izolacja danych i zasilania

Płytka pośrednicząca Pmod™-to-FMC zawiera izolatory cyfrowe, regulatory i transformator do realizacji izolacji galwanicznej. Izolacja galwaniczna to technika projektowa, która oddziela obwody elektryczne w celu wyeliminowania prądów błądzących. Sygnały mogą przepływać między obwodami izolowanymi galwanicznie, ale prądy błądzące, takie jak różnice potencjałów uziemienia lub prądy indukowane przez zasilanie prądem przemiennym, są blokowane. [2]

Po pierwsze, izolację danych zapewniają izolatory cyfrowe ADuM152N i ADuM120N 3 kV rms. Izolatory cyfrowe charakteryzują się wysoką odpornością na przejściowe zakłócenia w trybie wspólnym (CMTI) i są bardzo odporne na zakłócenia promieniowane i przewodzone, zapewniając jednocześnie niskie opóźnienie propagacji i niskie dynamiczne zużycie energii. Urządzenia izolacyjne, oprócz tego, że są łatwe w implementacji, oferują wyjątkowe właściwości użytkowe, w porównaniu z typowymi alternatywami, takimi jak transoptory. W szczególności maksymalne opóźnienie propagacji wynosi 13 ns przy zniekształceniu szerokości impulsu poniżej 5 ns. Dopasowanie opóźnienia propagacji między kanałami jest ścisłe i wynosi odpowiednio 4,0 ns i maksymalnie 3,0 ns.

W związku z tym izolowany precyzyjny łańcuch sygnałowy wymagałby również izolowanego obwodu zasilającego, który spełniałby wymagania eksploatacyjne łańcucha sygnałowego. Izolowany obwód zasilający nie powinien wpływać na działanie precyzyjnego łańcucha sygnałowego. Obwód zasilający musi charakteryzować się niską emisją, a jednocześnie być wydajny i zgodny z wymaganymi normami bezpieczeństwa.

Dobrym wyborem do izolacji zasilania jest nisko szumowy, push-pullowy sterownik DC-DC LT3999, który posiada wewnętrzne podwójne przełączniki 1 A z programowalnym ograniczeniem prądu, regulowaną częstotliwością przełączania od 50 kHz do 1 MHz (która może być również zsynchronizowana z zewnętrznym zegarem), szeroki zakres napięcia wejściowego od 2,7 V do 36 V oraz prąd wyłączenia poniżej 1 µA. Topologia push-pull jest prosta w projektowaniu i wdrażaniu, wykorzystuje niewiele komponentów i charakteryzuje się niską emisją promieniowania dzięki swojej symetrycznej topologii.

Jak pokazano na rysunku 2, obwód zasilający na platformie referencyjnej został zaprojektowany w taki sposób, aby napięcie 12 V z złącza FMC mogło zapewnić zasilanie potrzebne do działania karty akwizycji danych, umożliwiając jednocześnie izolację. Aby to osiągnąć, układ LT3999 w obwodzie steruje transformatorem izolacyjnym Pulse Electronics PH9085.083NL o wartości skutecznej 2,5 kV.

Konwerter mocy LT3999 wytwarza napięcie wyjściowe, które nie jest regulowane. Napięcie wyjściowe maleje wraz ze wzrostem obciążenia, jak pokazano na rysunku 3.

W platformie referencyjnej znajduje się liniowy regulator napięcia wyjściowego o niskim spadku napięcia (ADP7105), który można opcjonalnie wykorzystać do uzyskania regulowanego napięcia wyjściowego 3,3 V. Dzięki temu galwaniczna izolacja całego obwodu pomiarowego lub obwodu akwizycji danych za pomocą płytki pośredniczącej minimalizuje wpływ zmian napięcia wspólnego i zewnętrznych źródeł zakłóceń. Dowodzi to, że metoda ta jest dokładnym, ekonomicznym i wydajnym sposobem wykorzystania izolowanego obwodu pomiarowego. [3]

Zachowanie dokładności

Oprócz wdrożenia technik izolacji, elementy składowe łańcucha sygnałowego muszą być dobrze dopasowane. Każdy element ma wpływ na działanie całego łańcucha sygnałowego i ma kluczowe znaczenie dla zachowania dokładności całego systemu.

Wzmacniacze precyzyjne – charakteryzujące się wysoką dokładnością, niskim poziomem szumów i niskim napięciem offsetowym – zapewniają dokładne kondycjonowanie i wzmocnienie sygnału, aby zagwarantować wierne odwzorowanie pozyskanego sygnału bez wprowadzania dodatkowych zniekształceń lub przesunięć. Ponadto często stosuje się elementy filtrujące, takie jak filtry dolnoprzepustowe, w celu tłumienia szumów o wysokiej częstotliwości i niepożądanych sygnałów, umożliwiając tylko pożądany sygnał przechodzący przez łańcuch sygnałowy. Zwiększa to dokładność i integralność mierzonego sygnału. Na koniec, przetworniki analogowo-cyfrowe o wysokiej rozdzielczości są używane do konwersji sygnału analogowego na format cyfrowy w celu dalszego przetwarzania lub analizy. Przetworniki te mają wysoką częstotliwość próbkowania i doskonałą rozdzielczość, co pozwala na precyzyjną i szczegółową digitalizację sygnału analogowego. Wszystkie te komponenty są starannie dobierane, aby osiągnąć pożądaną wydajność platformy referencyjnej.

Wchodząc w szczegóły, karta akwizycji danych w platformie referencyjnej zawiera dyskretny programowalny wzmacniacz pomiarowy (PGIA) złożony z kilku elementów, w tym:

• ADA4627-1: szybki, cichy, o niskim prądzie polaryzacji, wzmacniacz operacyjny JFET
• LT5400: precyzyjna, czterokrotna dopasowana sieć rezystorów
• ADG1209: niskiej pojemności, 4-kanałowy, ±15 V/+12 V iCMOS® multiplekser
• Wewnętrzny, w pełni różnicowy wzmacniacz (FDA) sterownik ADC ADAQ4003

PGIA oferuje wysoką impedancję wejściową, która umożliwia bezpośrednie połączenie z różnymi czujnikami. Programowalne wzmocnienie jest często potrzebne do dostosowania obwodu do różnych amplitud sygnału wejściowego — jednobiegunowego lub dwubiegunowego oraz pojedynczego lub różnicowego o zmiennych napięciach wspólnych. PGIA współpracuje z ADAQ4003, 18-bitowym rozwiązaniem do akwizycji danych µModule® o częstotliwości 2 MSPS. Rysunek 4 ilustruje cały łańcuch sygnałowy tej platformy referencyjnej.

W celu zweryfikowania statycznej wydajności platformy referencyjnej, zmierzono odpowiednio nieliniowość całkową (INL) i nieliniowość różnicową (DNL). Rysunki 5 i 6 ilustrują błędy DNL i INL, w zależności od kodu dla różnych wzmocnień. Błędy DNL mają typowe odchylenia ±0,6 LSB, co oznacza monotoniczną funkcję transferu bez brakujących kodów. Tymczasem błędy INL mają typowe odchylenia ±2,097 LSB z widocznym kształtem litery S, co wskazuje na silną dominację harmonicznych o nieparzystym rzędzie.4 Wykresy te pokazują, że z całego łańcucha sygnałowego uzyskuje się wystarczającą liniowość.

Zastosowanie precyzyjnych wzmacniaczy, technik kondycjonowania sygnału i przetworników analogowo-cyfrowych o wysokiej rozdzielczości w łańcuchu sygnałowym minimalizuje zniekształcenia sygnału, przesunięcia i nieliniowości, zapewniając wysoką dokładność pomiarów. Omówione wcześniej techniki izolacji galwanicznej dodatkowo redukują wahania napięcia common-mode i eliminują efekty pętli uziemienia, zapewniając dokładne odwzorowanie mierzonego sygnału.

Minimalizacja szumów i zakłóceń

Szumy i zakłócenia są również częstymi wyzwaniami podczas akwizycji danych. Pochodzą z komponentów, albo ze źródeł zewnętrznych. Izolowany precyzyjny łańcuch sygnałowy rozwiązuje te problemy poprzez zastosowanie solidnych barier izolacyjnych, ekranowania, uziemienia i technik filtrowania. Techniki redukcji szumów są wbudowane w sam moduł μModule ADAQ4003, umożliwiając przechwytywanie sygnału o wysokiej wierności.

W szczególności między wyjściem sterownika ADC a wejściami ADC wewnątrz urządzenia μModule umieszczony jest jednobiegunowy filtr dolnoprzepustowy RC, który służy następującym celom:

1. eliminuje szumy o wysokiej częstotliwości;
2. zmniejsza odbicia ładunku z wejścia wewnętrznego przetwornika ADC SAR;
3. maksymalizuje czas ustalania i szerokość pasma sygnału wejściowego. [5]

Układ urządzenia μModule zapewnia również oddzielenie ścieżek analogowych i cyfrowych, aby uniknąć krzyżowania się tych sygnałów i zmniejszyć promieniowanie szumów.

Chociaż istnieje wiele parametrów dynamicznych związanych z wydajnością określonego systemu akwizycji danych, w niniejszym artykule omówione zostaną tylko trzy z nich.

Zakres dynamiczny definiuje się jako zakres między poziomem szumu tła urządzenia, a jego określonym maksymalnym poziomem wyjściowym [6], mającym zasadnicze znaczenie dla określenia najmniejszej przyrostowej wartości napięcia, na którą nie ma wpływu szum. Parametr ten jest testowany przy użyciu odniesienia 5 V z wejściami zwartymi do masy, przy szybkości transmisji danych wyjściowych wynoszącej 2 MSPS. Rysunek 7 przedstawia zakres dynamiczny dla różnych wzmocnień, z typową wartością 93 dB (przy najwyższym ustawieniu wzmocnienia) i 100 dB (przy najniższym ustawieniu wzmocnienia). Zwiększenie współczynnika oversamplingu do wartości 1024× dodatkowo poprawia pomiar, osiągając maksymalnie odpowiednio 123 dB i 130 dB.

Zastosowanie wzoru z równania 1 do obliczenia równoważnego całkowitego szumu odniesionego do wyjścia, dałoby wynik na poziomie zaledwie 1,12 µV rms (OSR = 1024× przy najniższym ustawieniu wzmocnienia). Zatem wyższe pomiary zakresu dynamicznego oznaczają niski ogólny poziom szumu systemu.

Podobnie uzyskano parametry, takie jak stosunek sygnału do szumu (SNR) i całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD), przy zastosowaniu sygnału sinusoidalnego –0,5 dBFS zarówno na wejściach odwracających, jak i nieodwracających urządzenia. Po pierwsze, SNR definiuje się jako stosunek amplitudy sygnału rms do średniej wartości sumy kwadratów (rss) wszystkich innych składowych widma, z wyłączeniem harmonicznych i prądu stałego.7 Można to lepiej zrozumieć dzięki równaniu 2.

Z drugiej strony, całkowite zniekształcenie harmoniczne definiuje się jako stosunek wartości skutecznej sygnału podstawowego do średniej wartości sumy kwadratów jego harmonicznych (zazwyczaj znaczenie ma tylko pierwszych 5 harmonicznych) [7], jak pokazano w równaniu 3.

Rysunki 8 i 9 przedstawiają odpowiednie wartości SNR i THD dla różnych ustawień wzmocnienia. Cały łańcuch sygnałowy osiąga maksymalny SNR wynoszący 98 dB i THD wynoszący –118 dB. Jednak parametry te ulegają pogorszeniu przy wysokich częstotliwościach wejściowych i wysokich ustawieniach wzmocnienia. Przykładowa transformacja FFT została również przedstawiona na rysunku 10. Izolowany łańcuch sygnałowy wykazuje płaski poziom szumu podstawowego około 140 dB poniżej pełnej skali i zakłócenia ukryte poniżej niego. Oznacza to, że łańcuch sygnałowy ma dobrą siłę sygnału oraz czystą i porównywalną charakterystykę szumu, w porównaniu z jego nieizolowanym odpowiednikiem.

Zastosowania i wpływ

Wpływ izolowanego precyzyjnego łańcucha sygnałowego obejmuje różne branże i zastosowania. W badaniach naukowych umożliwia on precyzyjne pomiary w dziedzinach takich jak fizyka, chemia i biologia, gdzie dokładność i powtarzalność mają ogromne znaczenie. W automatyce przemysłowej łańcuch sygnałowy zapewnia dokładną kontrolę procesów, monitorowanie jakości i diagnostykę urządzeń. W zastosowaniach medycznych umożliwia precyzyjne monitorowanie sygnałów fizjologicznych i dokładną diagnostykę. Jego wpływ rozciąga się również na takie obszary, jak monitorowanie środowiska, zarządzanie energią i telekomunikacja, gdzie niezawodne gromadzenie danych ma kluczowe znaczenie dla podejmowania decyzji i optymalizacji.

Pływające systemy DAQ

Pływające systemy DAQ najlepiej sprawdzają się w zastosowaniach związanych z elektronicznymi testami i pomiarami (ETM). Typowy pomiar napięcia obejmuje dwa punkty odniesienia: wysoki i niski/zerowy potencjał (określany jako uziemienie). Jednak wykorzystanie uziemienia jako punktu odniesienia stwarza ryzyko związane z pomiarami wysokiego napięcia. Sygnały o wysokim common-mode są szkodliwe dla poszczególnych elementów łańcucha sygnałowego. Może to spowodować uszkodzenie zarówno sprzętu, jak i danych. Wysokie napięcia stanowią również zagrożenie dla osób korzystających ze sprzętu. Ponadto szumy, sprzężenia i zakłócenia wprowadzane przez pętle uziemienia również budzą obawy w przypadku systemów uziemionych. [8]

Pływający DAQ eliminuje te zagrożenia dzięki oddzielnemu pływającemu punktowi odniesienia uziemienia. Pływające pomiary umożliwiają skrócenie ścieżek do punktu akwizycji, a jednocześnie pozwalają na akwizycję sygnałów o napięciach wspólnych. Różne piny uziemienia na płytce można zobaczyć na rysunku 11.

Wnioski

Izolowany precyzyjny łańcuch sygnałowy ma ogromny wpływ na proces gromadzenia danych: zapewnia dokładność, minimalizuje zakłócenia i interferencje oraz gwarantuje integralność danych. Zastosowanie precyzyjnego wzmocnienia, technik izolacji, przetworników analogowo-cyfrowych o wysokiej rozdzielczości oraz zarządzania energią o niskim poziomie szumów i emisji umożliwia precyzyjne pomiary nawet w trudnych warunkach. Wpływ izolowanego precyzyjnego łańcucha sygnałowego rozciąga się na różne branże, umożliwiając postępy w badaniach naukowych, automatyce przemysłowej, opiece zdrowotnej i nie tylko. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na dokładne i niezawodne gromadzenie danych, znaczenie izolowanego precyzyjnego łańcucha sygnałowego staje się coraz bardziej oczywiste w stymulowaniu innowacji i uwalnianiu pełnego potencjału aplikacji opartych na danych.

Referencje

[1] Jen Lloyd. „Technologia izolacji cyfrowej: bezpieczeństwo i integralność danych na pierwszym miejscu, zawsze”. Analog Devices, Inc.
[2] Izolacja galwaniczna. Analog Devices, Inc.
[3] „Izolatory cyfrowe upraszczają projektowanie i zapewniają niezawodność systemu”. Analog Devices, Inc., czerwiec 2012 r.
[4] „Pomiary INL/DNL dla szybkich przetworników analogowo-cyfrowych (ADC)”. Analog Devices, Inc., 2001.
[5] Maithil Pachchigar. „Rozwiązanie do akwizycji danych μModule ułatwia wyzwania inżynieryjne dla różnorodnego zestawu precyzyjnych zastosowań”. Analog Devices, Inc., 2020.
[6] „Słownik terminów ADC i DAC”. Maxim Integrated, lipiec 2002 r.
[7] Podręcznik konwersji danych. Analog Devices, Inc., 2005 r.
[8] „Przełamanie pętli uziemienia dzięki izolacji funkcjonalnej w celu zmniejszenia błędów transmisji danych”. Analog Devices, Inc., grudzień 2011 r.
[9] Van Yang, Songtao Mu i Derrick Hartmann. „Projekt modułu wejścia analogowego PLC DCS przełamuje bariery izolacji międzykanałowej i wysokiej gęstości”. Analog Dialogue, tom 50, nr 12, grudzień 2016 r.

---

Autorzy artykułu:

Lloben Paculanan jest inżynierem ds. zastosowań produktów w Analog Devices Philippines. Dołączył do ADI w 2000 r., gdzie pracował na różnych stanowiskach związanych z rozwojem sprzętu testowego i inżynierią zastosowań. Zajmuje się rozwojem precyzyjnych, szybkich i sygnałowych łańcuchów μModule®. Ukończył Ateneo de Cagayan Xavier University z tytułem licencjata w dziedzinie technologii inżynierii przemysłowej oraz inżynierii komputerowej na Enverga University.

Chelsea Faye Aure jest inżynierem ds. zastosowań produktów w firmie Analog Devices. Zapewnia wsparcie techniczne w zakresie zastosowań i pracuje w zespole zajmującym się opracowywaniem precyzyjnych rozwiązań µModule® dla łańcuchów sygnałowych. Karierę w ADI Philippines rozpoczęła w 2022 roku. Uzyskała tytuł licencjata w dziedzinie inżynierii elektronicznej na Uniwersytecie De La Salle w Dasmariñas.

Jan Michael Gonzales jest inżynierem ds. zastosowań produktów w systemach zasilania w Analog Devices Philippines. Dołączył do ADI w 2020 roku i zajmuje się głównie zasilaniem precyzyjnych łańcuchów sygnałowych. Uzyskał tytuł licencjata w dziedzinie inżynierii elektronicznej oraz tytuł magistra w dziedzinie energoelektroniki na Uniwersytecie Mapúa w Manili.