高性能模塊化儀器儀表如何實現(xiàn)更好的應用和更小的尺寸

作者：時間：2018-07-31 來源：網(wǎng)絡

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繼數(shù)代定制型臺式儀器儀表之后，技術的發(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。然而，降低功耗以實現(xiàn)噪聲和測量精度目標依然極具挑戰(zhàn)。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201807/384595.htm

移動性的實現(xiàn)是擯棄臺式儀器儀表的一個因素?；诙ㄖ坪蜋C架的大型系統(tǒng)從物流角度來講有局限性。將工作柜/桌面設備分拆成較小的節(jié)點可實現(xiàn)自定義配置，并針對測試站點或對象的環(huán)境和尺寸優(yōu)化儀器儀表。通過將測量儀器儀表拆分成較小的節(jié)點可以改善移動性，并減少接線和安裝麻煩。與本地移動儀器儀表的接線連接比部署長線纜回到中央機架或臺式儀器儀表容易?；ㄔ隍炞C接線和更正錯誤接線上的時間也能節(jié)省下來。尺寸的變化暫且不論，對最佳測試性能、確定性以及精度的要求依然存在。

應用領域

高動態(tài)范圍的模塊化平臺儀器儀表是二十一世紀測量設備的基本要求。儀器儀表為各式各樣專業(yè)領域的進一步創(chuàng)新、研究和開發(fā)提供了所需的測量能力。

Ø 材料科學研發(fā)領域的測試，從風車葉片的結構分析到渦輪機的健康程度、維護保養(yǎng)和電氣輸出。

Ø 測量應力/壓電傳感器的輸出、調理電壓并實現(xiàn)量化分析以便進行結構健康和材料開發(fā)，同時提供無干擾的清晰測量。

Ø 汽車座艙噪聲測量。原型開發(fā)期間對座艙內的麥克風輸出進行數(shù)字化，實現(xiàn)更快速、更精確的控制環(huán)路，提升工廠生產吞吐率。

Ø 電氣測試：

• 音頻測量，針對語音激活控制和操作開發(fā)高級麥克風模塊和揚聲器。

• 參數(shù)測量精度和速度與測試成本有關的無源和有源電子器件中ATE內的電氣測試。

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

這些種類繁多應用具有同樣復雜的通道數(shù)。工業(yè)應用中的標準8通道模塊擴展至512通道及以上，用于EEG測量。關鍵是將前端測量設計擴展至大量通道，同時保持同步采樣。它是數(shù)據(jù)的基礎，指導了整整一代產品的研究、開發(fā)、生產和最終使用。

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

依靠AD7768和AD7768-4能力實現(xiàn)的新ADC子系統(tǒng)已經問世。它可以憑借數(shù)字化能力實現(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，可平衡高動態(tài)范圍模塊化系統(tǒng)設計中的動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗。

可重配置散熱尺寸、軟件可編程測量帶寬

AD7768可適應測量場景。散熱、更小的空間以及缺少主動式冷卻都是模塊化儀器儀表的限制，而AD7768采用內置操作模式，提供快速、中速和節(jié)能調節(jié)。對于給定的輸入帶寬，用戶可決定功耗高低，從而減少模塊內的熱量。一個例子就是在51.2 kHz的輸入帶寬內進行數(shù)字化。這類帶寬常用于FFT式分析，因為它在FFT輸出中提供整數(shù)倉大小。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合頻率超過51.2 kHz時的全衰減，意味著奈奎斯特頻率附近不會出現(xiàn)折返。對于AD7768，用戶可以選擇快速或中速工作模式。該決策必須權衡電流消耗和動態(tài)范圍，具體取決于系統(tǒng)限制哪個因素。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?，F(xiàn)FT表示采用ADA4896-2驅動的性能。(AD7768為快速模式，dec × 64得到輸出速率為128 kSPS)預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驅動的性能。(AD7768為中速模式，dec × 32得到輸出速率為128 kSPS)預充電模擬輸入緩沖器開啟。

這里展示了動態(tài)范圍和電流消耗的權衡，使用下列基本設置：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性能對比：模擬輸入正弦波的一個出色的低失真數(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。選擇最高的動態(tài)范圍或最低的電流消耗。

注意，某些供應商將此數(shù)字表示為SNR(短路輸入噪聲)。AD7768采用完整正弦波進行測試，實施真SNR所需的完整基準范圍。

包括預充電模擬輸入緩沖器。預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動前置的驅動器放大器。開啟預充電緩沖器后，AD7768可提供失真性能上的獨特優(yōu)勢。

在一個經典的51.2 kHz測量帶寬實例中，用戶可以選擇降低電流，或最大化ADC的動態(tài)范圍。不僅功率調節(jié)適用于ADC，此外還有一些針對ADC前的驅動器放大器電路的連鎖效應。如圖3所示，子系統(tǒng)還包括一個驅動器放大器，通常帶有信號調理，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，以后可擴展快速模式的最初設計，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功耗模式應用到有效的驅動器放大器解決方案中

圖3.ADC子系統(tǒng)功耗調節(jié)：驅動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功耗調節(jié)。

圖4.中速模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4807-2驅動ADC預充電模擬輸入緩沖器開啟時的性能。

圖5.中速模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4940-1驅動ADC預充電模擬輸入緩沖器開啟時的性能。

調節(jié)至中速模式的較低功耗放大器有助于進一步降低電流消耗。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輸入帶寬范圍內數(shù)字化交流或直流。

調諧和調節(jié)測量子系統(tǒng)功耗的能力具有兩個優(yōu)勢。首先，靈活的嵌入式功耗調節(jié)允許隨時靈活改善測量范圍或測量持續(xù)時間(例如，模塊是否由電池供電)。其次，可以提供創(chuàng)建基礎平臺設計的能力，該平臺可設置和適配特定的測量帶寬和性能點，以便開發(fā)定制型儀器儀表，應對確切的最終客戶測量挑戰(zhàn)。

軟件可配置輸入帶寬和延遲——將其應用到一組通道

除了使用AD7768調節(jié)ADC電流消耗和動態(tài)范圍外，還有可配置濾波，能適配測量解決方案。磚墻、低紋波濾波器能很好地提供寬頻率范圍內的增益精度。其缺點是具有較長的積分/均值時間。因此，AD7768的群延遲相對較大，在看到模擬輸入的數(shù)字版本以前會存在34個數(shù)據(jù)周期的延遲。為了提供相對時間軸，當工作在250 kSPS的快速模式時，每一個數(shù)據(jù)轉換周期為4 μs，因此群延遲為136 μs。在控制環(huán)路中，或快速響應比頻率范圍內的增益精度更重要的應用中，可能無法容忍這一缺點。使用sinc5濾波器可以實現(xiàn)這些高動態(tài)范圍測量。相對于寬帶濾波器，該路徑可降低10倍的群延遲。

AD7768一個有用的功能是，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濾波器之一，并從六個可用的抽取速率中選擇一個進行設置。這項功能可讓八個ADC完成不同的測量類型，并允許通過軟件設置進行配置，如同每個ADC都是獨立的。一個示例場景是，監(jiān)控重要工業(yè)資產時，用戶可能希望測量4 mA至20 mA發(fā)送器或電壓輸出發(fā)送器的直流輸出，同時在另一個模擬輸入通道上測量振動傳感器。可以讀取發(fā)送器的直流響應，并饋入控制環(huán)路，同時在另一個同步通道上測量振動?；旌鲜褂幂斎霂捄脱舆t的能力是為工業(yè)設置創(chuàng)建定制型高價值儀器儀表的基礎：一個儀器儀表具有兩種功能，即運行流程變量并對工廠振動信息進行積分，兩者在一個系統(tǒng)上同時完成。