高性能模塊化儀器儀表如何實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用和更小的尺寸

繼數(shù)代定制型臺(tái)式儀器儀表之后，技術(shù)的發(fā)展繼續(xù)朝著更靈活、軟件控制以及尺寸更小的模塊化儀器儀表方向前進(jìn)。然而，降低功耗以實(shí)現(xiàn)噪聲和測(cè)量精度目標(biāo)依然極具挑戰(zhàn)。

移動(dòng)性的實(shí)現(xiàn)是擯棄臺(tái)式儀器儀表的一個(gè)因素?；诙ㄖ坪蜋C(jī)架的大型系統(tǒng)從物流角度來講有局限性。將工作柜/桌面設(shè)備分拆成較小的節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)自定義配置，并針對(duì)測(cè)試站點(diǎn)或?qū)ο蟮沫h(huán)境和尺寸優(yōu)化儀器儀表。通過將測(cè)量?jī)x器儀表拆分成較小的節(jié)點(diǎn)可以改善移動(dòng)性，并減少接線和安裝麻煩。與本地移動(dòng)儀器儀表的接線連接比部署長(zhǎng)線纜回到中央機(jī)架或臺(tái)式儀器儀表容易。花在驗(yàn)證接線和更正錯(cuò)誤接線上的時(shí)間也能節(jié)省下來。尺寸的變化暫且不論，對(duì)最佳測(cè)試性能、確定性以及精度的要求依然存在。

應(yīng)用領(lǐng)域

高動(dòng)態(tài)范圍的模塊化平臺(tái)儀器儀表是二十一世紀(jì)測(cè)量設(shè)備的基本要求。儀器儀表為各式各樣專業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步創(chuàng)新、研究和開發(fā)提供了所需的測(cè)量能力。

Ø 材料科學(xué)研發(fā)領(lǐng)域的測(cè)試，從風(fēng)車葉片的結(jié)構(gòu)分析到渦輪機(jī)的健康程度、維護(hù)保養(yǎng)和電氣輸出。

Ø 測(cè)量應(yīng)力/壓電傳感器的輸出、調(diào)理電壓并實(shí)現(xiàn)量化分析以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康和材料開發(fā)，同時(shí)提供無(wú)干擾的清晰測(cè)量。

Ø 汽車座艙噪聲測(cè)量。原型開發(fā)期間對(duì)座艙內(nèi)的麥克風(fēng)輸出進(jìn)行數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)更快速、更精確的控制環(huán)路，提升工廠生產(chǎn)吞吐率。

Ø 電氣測(cè)試：

• 音頻測(cè)量，針對(duì)語(yǔ)音激活控制和操作開發(fā)高級(jí)麥克風(fēng)模塊和揚(yáng)聲器。

• 參數(shù)測(cè)量精度和速度與測(cè)試成本有關(guān)的無(wú)源和有源電子器件中ATE內(nèi)的電氣測(cè)試。

• EEG需要接近直流的特定帶寬內(nèi)的極高動(dòng)態(tài)范圍。要求更低的功率，以便將數(shù)百個(gè)同步測(cè)量通道封裝在小尺寸內(nèi)。

這些種類繁多應(yīng)用具有同樣復(fù)雜的通道數(shù)。工業(yè)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)8通道模塊擴(kuò)展至512通道及以上，用于EEG測(cè)量。關(guān)鍵是將前端測(cè)量設(shè)計(jì)擴(kuò)展至大量通道，同時(shí)保持同步采樣。它是數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，指導(dǎo)了整整一代產(chǎn)品的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和最終使用。

在創(chuàng)造更小封裝的同時(shí)保持測(cè)量通道密度要求高功效。增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和鏈路的動(dòng)態(tài)范圍(促使其向110 dB發(fā)展)，同時(shí)將電流消耗限制在合理范圍內(nèi)，這是一場(chǎng)持久戰(zhàn)。平衡動(dòng)態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗不是容易的事。

依靠AD7768和AD7768-4能力實(shí)現(xiàn)的新ADC子系統(tǒng)已經(jīng)問世。它可以憑借數(shù)字化能力實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬、比以往更高的精度，提供多通道中的保真度和同步采樣。它還具有解決散熱難題的工具，可平衡高動(dòng)態(tài)范圍模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的動(dòng)態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗。

可重配置散熱尺寸、軟件可編程測(cè)量帶寬

AD7768可適應(yīng)測(cè)量場(chǎng)景。散熱、更小的空間以及缺少主動(dòng)式冷卻都是模塊化儀器儀表的限制，而AD7768采用內(nèi)置操作模式，提供快速、中速和節(jié)能調(diào)節(jié)。對(duì)于給定的輸入帶寬，用戶可決定功耗高低，從而減少模塊內(nèi)的熱量。一個(gè)例子就是在51.2 kHz的輸入帶寬內(nèi)進(jìn)行數(shù)字化。這類帶寬常用于FFT式分析，因?yàn)樗贔FT輸出中提供整數(shù)倉(cāng)大小。AD7768采用磚墻數(shù)字濾波器幀，需要輸入帶寬。低紋波通帶和陡峭的過渡帶結(jié)合頻率超過51.2 kHz時(shí)的全衰減，意味著奈奎斯特頻率附近不會(huì)出現(xiàn)折返。對(duì)于AD7768，用戶可以選擇快速或中速工作模式。該決策必須權(quán)衡電流消耗和動(dòng)態(tài)范圍，具體取決于系統(tǒng)限制哪個(gè)因素。下面我們看看具體情況：

圖1.數(shù)字化50 kHz輸入帶寬?？焖倌Ｊ叫阅埽現(xiàn)FT表示采用ADA4896-2驅(qū)動(dòng)的性能。(AD7768為快速模式，dec × 64得到輸出速率為128 kSPS)預(yù)充電模擬輸入緩沖器開啟。

圖2.數(shù)字化50 kHz輸入帶寬。中速模式性能，F(xiàn)FT表示采用ADA4896-2驅(qū)動(dòng)的性能。(AD7768為中速模式，dec × 32得到輸出速率為128 kSPS)預(yù)充電模擬輸入緩沖器開啟。

這里展示了動(dòng)態(tài)范圍和電流消耗的權(quán)衡，使用下列基本設(shè)置：MCLK = 32.768 MHz，低紋波通帶濾波器(“磚墻”)，每種模式128 kSPS數(shù)據(jù)速率，采用1 kHz輸入正弦波數(shù)字化50 kHz輸入帶寬，滿量程以下−0.5 dB。圖1和圖2顯示了ADC性能對(duì)比：模擬輸入正弦波的一個(gè)出色的低失真數(shù)字版本。中速模式可降低電流消耗，但犧牲噪聲和3 dB動(dòng)態(tài)范圍。

表1.數(shù)字化并創(chuàng)建51.2 kHz帶寬的FFT。選擇最高的動(dòng)態(tài)范圍或最低的電流消耗。

注意，某些供應(yīng)商將此數(shù)字表示為SNR(短路輸入噪聲)。AD7768采用完整正弦波進(jìn)行測(cè)試，實(shí)施真SNR所需的完整基準(zhǔn)范圍。

包括預(yù)充電模擬輸入緩沖器。預(yù)充電緩沖器降低模擬輸入電流以及輸入幅度，使模擬輸入更易于驅(qū)動(dòng)前置的驅(qū)動(dòng)器放大器。開啟預(yù)充電緩沖器后，AD7768可提供失真性能上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

在一個(gè)經(jīng)典的51.2 kHz測(cè)量帶寬實(shí)例中，用戶可以選擇降低電流，或最大化ADC的動(dòng)態(tài)范圍。不僅功率調(diào)節(jié)適用于ADC，此外還有一些針對(duì)ADC前的驅(qū)動(dòng)器放大器電路的連鎖效應(yīng)。如圖3所示，子系統(tǒng)還包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)器放大器，通常帶有信號(hào)調(diào)理，用于抗混疊。

可選擇功耗不同的放大器匹配各種功耗模式。此表表明，以后可擴(kuò)展快速模式的最初設(shè)計(jì)，用于中速或節(jié)能模式，且基本尺寸不變，但電流消耗降低。

表2.將ADC功耗模式應(yīng)用到有效的驅(qū)動(dòng)器放大器解決方案中

圖3.ADC子系統(tǒng)功耗調(diào)節(jié)：驅(qū)動(dòng)器放大器尺寸面積上可重新安裝功耗更低的放大器，配合ADC功耗調(diào)節(jié)。

圖4.中速模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4807-2驅(qū)動(dòng)ADC預(yù)充電模擬輸入緩沖器開啟時(shí)的性能。

圖5.中速模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4940-1驅(qū)動(dòng)ADC預(yù)充電模擬輸入緩沖器開啟時(shí)的性能。

調(diào)節(jié)至中速模式的較低功耗放大器有助于進(jìn)一步降低電流消耗。中速模式下使用ADA4807-2或ADA4940-1的性能以圖4和圖5表示，其中在50 kHz輸入帶寬范圍內(nèi)數(shù)字化交流或直流。

調(diào)諧和調(diào)節(jié)測(cè)量子系統(tǒng)功耗的能力具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，靈活的嵌入式功耗調(diào)節(jié)允許隨時(shí)靈活改善測(cè)量范圍或測(cè)量持續(xù)時(shí)間(例如，模塊是否由電池供電)。其次，可以提供創(chuàng)建基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)的能力，該平臺(tái)可設(shè)置和適配特定的測(cè)量帶寬和性能點(diǎn)，以便開發(fā)定制型儀器儀表，應(yīng)對(duì)確切的最終客戶測(cè)量挑戰(zhàn)。

軟件可配置輸入帶寬和延遲——將其應(yīng)用到一組通道

除了使用AD7768調(diào)節(jié)ADC電流消耗和動(dòng)態(tài)范圍外，還有可配置濾波，能適配測(cè)量解決方案。磚墻、低紋波濾波器能很好地提供寬頻率范圍內(nèi)的增益精度。其缺點(diǎn)是具有較長(zhǎng)的積分/均值時(shí)間。因此，AD7768的群延遲相對(duì)較大，在看到模擬輸入的數(shù)字版本以前會(huì)存在34個(gè)數(shù)據(jù)周期的延遲。為了提供相對(duì)時(shí)間軸，當(dāng)工作在250 kSPS的快速模式時(shí)，每一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換周期為4 μs，因此群延遲為136 μs。在控制環(huán)路中，或快速響應(yīng)比頻率范圍內(nèi)的增益精度更重要的應(yīng)用中，可能無(wú)法容忍這一缺點(diǎn)。使用sinc5濾波器可以實(shí)現(xiàn)這些高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。相對(duì)于寬帶濾波器，該路徑可降低10倍的群延遲。

AD7768一個(gè)有用的功能是，允許用戶在通道中混合使用各種類型的濾波器。每一個(gè)ADC都可被分配給兩組通道之一。之后，每組都可被分配給兩個(gè)濾波器之一，并從六個(gè)可用的抽取速率中選擇一個(gè)進(jìn)行設(shè)置。這項(xiàng)功能可讓八個(gè)ADC完成不同的測(cè)量類型，并允許通過軟件設(shè)置進(jìn)行配置，如同每個(gè)ADC都是獨(dú)立的。一個(gè)示例場(chǎng)景是，監(jiān)控重要工業(yè)資產(chǎn)時(shí)，用戶可能希望測(cè)量4 mA至20 mA發(fā)送器或電壓輸出發(fā)送器的直流輸出，同時(shí)在另一個(gè)模擬輸入通道上測(cè)量振動(dòng)傳感器?？梢宰x取發(fā)送器的直流響應(yīng)，并饋入控制環(huán)路，同時(shí)在另一個(gè)同步通道上測(cè)量振動(dòng)?；旌鲜褂幂斎霂捄脱舆t的能力是為工業(yè)設(shè)置創(chuàng)建定制型高價(jià)值儀器儀表的基礎(chǔ)：一個(gè)儀器儀表具有兩種功能，即運(yùn)行流程變量并對(duì)工廠振動(dòng)信息進(jìn)行積分，兩者在一個(gè)系統(tǒng)上同時(shí)完成。

圖6.sinc5濾波器與寬帶濾波器的群延遲對(duì)比。Sinc5針對(duì)模擬輸入提供快速響應(yīng)，適合環(huán)路延遲必須最小化的控制環(huán)路應(yīng)用。綠點(diǎn)表示群延遲時(shí)刻的樣本，粉點(diǎn)表示每一個(gè)濾波器的最終建立值。

圖7.為不同類型的濾波器配置不同的ADC通道。兩個(gè)群：A為寬帶，B為sinc。各群的抽取速率還可通過SPI配置。

高性能、可擴(kuò)展高速度以及低功耗成就現(xiàn)代尺寸和使用場(chǎng)景

大型固定儀器儀表正逐漸轉(zhuǎn)換為更具移動(dòng)性、更靈活的設(shè)備。它們能為各種行業(yè)、市場(chǎng)和應(yīng)用的高級(jí)開發(fā)和創(chuàng)新提供高價(jià)值潛力。面對(duì)如此具有挑戰(zhàn)性的動(dòng)態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗，使用高級(jí)ADC有助于緩解這些難題，并為設(shè)計(jì)人員提供更強(qiáng)大的工具。

作者簡(jiǎn)介

Michael Clifford是愛爾蘭利默里克市ADI公司線性和精密技術(shù)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)成員。他于2004年加入ADI，專注于精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，尤其是在精密直流和交流測(cè)量中使用Σ-Δ拓?fù)涞漠a(chǎn)品。他畢業(yè)于科克大學(xué)(UCC)，獲得電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位。