作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了解決新出現的復雜問題，智能化在向邊緣遷移，隨之而來的確保數據采集 (DAQ) 的可靠性、準確性和性能就變得愈發重要。因此，要求設計人員在信號采集和系統處理器之間提供一個隔離式精密信號鏈。

在模擬信號精密測量鏈中，確保隔離能力是一項極具挑戰性的任務。盡管存在信號破壞因素和不可避免的溫度漂移，但要保持信號鏈的性能，還需要認真關注每一個細節。對于許多設計人員來說，在選擇和使用適當的隔離技術之前更好地了解相關問題將大有裨益。

本文將討論與開發、優化高端隔離式 DAQ 系統有關的各種問題，其中“高端”一詞包含精度、準確性、信號完整性和一致性等屬性。然后介紹 [Analog Devices]的 DAQ 信號鏈解決方案，并說明如何使用這些解決方案來構建此類系統。

優化每個功能塊

典型的 DAQ 系統由一系列功能模塊組成。借助這些模塊，信號可通過傳感器從物理系統中傳遞。然后，信號進入模擬前端 (AFE) 進行調節，進入模數轉換器 (ADC) 進行數字化處理，最后進入基于計算機的讀出器或控制器（微控制器或者更大的系統）（圖 1）。

圖 1：DAQ 系統包括一條定義明確的線性信號鏈，其路徑為從被測物理系統和傳感器到主處理器。（圖片來源：Bill Schweber）

要實現 DAQ 的精度和準確性，首先要選擇前端的信號調節器件，特別是變送器前置放大器。低噪聲性能是此項功能的眾多關鍵因素之一，因為在設計后期很難降低內部噪聲，而且會與所需信號一起被放大。信噪比 (SNR) 基準在此確定，并且當信號穿過更多級時，信噪比會不可避免地進一步降低。

因此，AFE 通常使用噪聲優化型單功能運算放大器（運放）。Analog Devices 的 [ADA4627-1BRZ-R7] 是前端前置放大器的理想選擇。這是一款 30 V（±15 V 雙電源）、高速、低噪聲、低偏置電流的 JFET 運放。在眾多傳感器優化規格中，該器件具有 200 μV（最大值）低失調電壓、1 μV/°C（典型值）失調漂移、5 pA（最大值）輸入偏置電流。臨界電壓噪聲規格為 1 千赫茲 (kHz) 時 6.1 nV 每根號赫茲 (nV/√Hz)（圖 2）。

圖 2：ADA4627 JFET 運算放大器的電壓噪聲為 6.1 nV/√Hz（1 kHz）。（圖片來源：Analog Devices）

隔離有許多好處

一旦信號經過放大和數字化，就會在信號與系統的數字部分和相關處理器之間建立電隔離。采取這一步驟主要有三個原因：

1. 降低噪聲和干擾 ：電隔離可消除共模電壓變化、接地回路和電磁干擾 (EMI)。電隔離還能防止外部噪聲源干擾已采集到的信號，確保測量結果更清晰、更準確。
2. 消除接地回路 ：接地回路會引入電壓差，使導致測量信號失真。電隔離可切斷接地回路，從而消除地電位變化造成的干擾，提高測量精度。
3. 安全和保護 ：隔離柵可防止危險的電壓尖峰、瞬態電壓或浪涌電壓波及敏感的測量元件，以確保電氣安全。這可以保護測量電路和連接設備，確保工作安全可靠。此外，如果低電平傳感器即使是短暫地接觸了高壓線路或 AC 線路，這種屏障也能消除對用戶的電氣危險。

基于磁性、光學、電容甚至射頻原理，有多種技術可用于隔離數字信號。Analog Devices 提供一系列高性能解決方案，包括基于其專有 iCoupler 技術的 [ADUM152N1BRZ-RL7]五通道數字隔離器（圖 3）。

圖 3：ADuM152N 五通道數字隔離器使用專有的磁耦合技術實現高性能。（圖片來源：Analog Devices）

這些隔離器結合了高速 CMOS 電路和單片空芯變壓器技術。為確保性能符合高速數字鏈路的需求，在 5 V 電壓下，最大傳播延遲為 13 納秒 (ns)，脈寬失真小于 4.5 ns，通道與通道之間的傳播延遲匹配嚴格控制在 4.0 ns（最大）。[ADUM120N1BRZ-RL7] 也有類似的雙通道版本，因此隔離通道的總數可以與總線寬度相匹配。

這些隔離器針對高速性能進行了優化，保證數據傳輸速率為每秒 150 兆比特 (Mb/s)。這些隔離器具有 100 kV 每微秒 (kV/μs) 的高共模瞬態抗擾度 (CMTI) 和 3 kV 均方根 (rms) 的額定耐受電壓，并符合所有相關的法規要求。

信號隔離只是整個隔離過程的一部分。DAQ 系統的所有 DC 電源軌也必須隔離。最常見的方法是將變壓器作為隔離元件。

如果初級電源已經是 AC 電源，則需要通過變壓器，然后進行整流和穩壓；如果電源是 DC 電源，則必須首先進行斬波處理為類似 AC 的波形。使用諸如 [LT3999] 等器件可大大簡化這一過程。這是一款低噪聲、1 安培 (A)、50 kHz 至 1 兆赫 (MHz) 的 DC/DC 驅動器。

完整的高性能 DAQ 系統需要額外的核心和外圍器件。其設計和布局必須確保測量準確性和數據完整性。除放大器和隔離柵外，精密信號鏈通常還包括濾波元件、高分辨率 ADC 和開關。這些器件的組合可消除噪聲，減少干擾并實現準確的信號表示。

全部整合在一起

在使用這些關鍵元器件的隔離信號鏈中，[ADSKPMB10-EV-FMCZ]便是其中之一，這是一個可實現單通道、全隔離、低延遲 DAQ 系統的精密平臺（圖 4）。該解決方案結合了用于信號調節的可編程增益儀表放大器 (PGIA)，以適應各種傳感器接口的靈敏度，并在一塊緊湊的電路板內實現了數字和電源的隔離。

圖 4：ADKSPMB10-EV-FMCZ 是一個可實現單通道、全隔離、低延遲 DAQ 系統的精密平臺。PMOD - FMC 轉接板（中心塊）提供隔離和其他功能。（圖片來源：Analog Devices）

用于評估時，該板被配置為一個多板解決方案，包括具有 PMOD 外形的 ADSKPMB10-EV-FMCZ （圖 5）和 [EVAL-SDP-CH1Z]系統演示平臺 (SDP) 接口板。這兩塊電路板之間是一塊完全隔離的 PMOD 轉 FMC 轉接板。

圖 5：ADSKPMB10-EV-FMCZ（左）通過 PMOD 轉 FMC 轉接板（右）連接 SDP 接口板（未顯示）。轉接板上的垂直分割區顯示了隔離柵的實施位置。（圖片來源：Analog Devices）

ADSKPMB10-EV-FMCZ 采用 ADA4627-1 運算放大器構建的分立式 PGIA。PGIA 具有高輸入阻抗，這是支持與各種傳感器直接連接所必須的。該模塊還具有一個用于增益設置的精密型四重匹配排阻、一個四通道多路復用器和一個用于 [ADAQ4003] 的全差分放大器 ADC 驅動器。ADAQ4003 是一款以 μModule 形式實現的 18 位、2 兆樣本每秒 (MSPS) 的 ADC 和 DAQ 子系統。

該模塊不僅僅是一個高分辨率 ADC。ADAQ4003 采用多種降噪技術，以實現高保真信號捕捉。例如，在 ADC 驅動器輸出和 μModule 內部的 ADC 輸入之間放置了一個單極低通電阻電容 (RC) 濾波器，以消除高頻噪聲并減少來自內部 ADC 輸入的電荷“反沖”。

此外，μModule 的布局確保了模擬和數字路徑的分離，從而避免了交叉并最大限度地減少了輻射噪聲。

完全隔離的 PMOD 至 FMC 轉接板包括 LT3999 DC/DC 驅動器、五通道和雙通道數字隔離器、低噪聲低壓差穩壓器 (LDO) 和超低噪聲 LDO。轉接板起橋接作用，與 SDP 接口板相連。

SDP 接口板執行采集后處理、管理和連接功能。該電路板有一個 160 針 FMC 連接器、一個 12 VDC 電源（可進一步調節并為其他電路板分區）、一個 Blackfin 處理器（具有用于代碼和內容保護的硬件安全功能）、一個 USB 端口和一個 Spartan-6 FPGA。

性能即證明

評估精密數據采集系統的性能并非易事，因為儀表、測試布局和標準都非常關鍵。雖然許多動態參數與 DAQ 系統的性能有關，但最能說明問題的是動態范圍、信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD)。

動態范圍是指設備的本底噪聲與其指定的最大輸出電平之間的范圍。

該設計的典型動態范圍令人印象深刻，在最高增益設置下為 93 分貝 (dB)，最低增益設置下為 100 dB（圖 6）。將超采樣率提高 1024 倍后，測量結果得到進一步改善，最高分別達到 123 dB 和 130 dB。

圖 6：根據增益和其他設置，整個電路和信號鏈的動態范圍約為 100 dB，表明這是一個高性能 DAQ 系統。（圖片來源：Analog Devices）

SNR 是均方根信號幅值與所有其他頻譜成分（不包括諧波和 DC）的均方根 (RSS) 平均值之比。總諧波失真 (THD) 是基波信號均方根值與其諧波 RSS 平均值之比。

這種設計的信噪比和總諧波失真 (THD) 顯然具有很高的性能，因為信號鏈的最大信噪比達到 98 dB（圖 7（左）），總諧波失真達到 -118 dB（圖 7（右）），具體取決于增益設置。

圖 7：除了動態范圍之外，高 SNR（左）和低 THD（右）也是以模擬為重點的 DAQ 性能卓越的具體證明。

結束語

設計和實施隔離式精密信號鏈，以保持精度，最大限度地減少噪聲和干擾，并確保數據完整性，是一項重要的設計和實施工作。幸運的是，通過合理地使用精密放大、隔離技術、高分辨率模數轉換器和模塊以及低噪聲電源管理，即使在具有電氣挑戰性的環境中也能實現精確測量。通過使用 Analog Devices 的先進器件（從基本運算放大器到高級隔離器件），并輔以必要的外設功能以及詳盡的數據表和應用指南，這一切都成為可能。

審核編輯 黃宇