Оптимизация измерительных цепей с учетом стоимости и производительности

Выбор АЦП в соответствии с предъявляемыми требованиями и дальнейший подбор аналоговых компонентов (усилителей, фильтров, ИОН и т.д.) с учетом характеристик АЦП позволяют разработчикам создавать измерительные системы с заданными параметрами и минимальной стоимостью
2164
В избранное

Эффективная обработка сигналов имеет огромное значение для самых разных приложений, начиная от промышленной автоматизации и измерительной техники, и заканчивая высокоскоростным телекоммуникационным оборудованием и системами обработки изображений. При этом для каждого конкретного приложения важно правильно подобрать элементную базу, чтобы измерительный канал удовлетворял всем требованиям при минимальной конечной стоимости. Достижение баланса между затратами и предъявляемыми требованиями становится еще более важным из-за широкого распространения Интернета вещей (IoT). По прогнозам в ближайшее время количество IoT-устройств будет исчисляться десятками миллиардов, а значит, даже незначительная экономия в каждом отдельном звене сигнальной цепи приведет к огромной экономии в целом.

Чтобы достичь заданных показателей при создании измерительной схемы, разработчик должен учитывать характеристики всех используемых компонентов. Вместе с тем от измерительной системы достаточно редко требуется обеспечение максимально возможных характеристик (рис. 1). В большинстве случаев разработчики могут использовать более дешевую элементную базу, сохраняя необходимый уровень производительности и функциональности.

Высокопроизводительные аналоговые компоненты, в том числе аналого-цифровые преобразователи и мультиплексоры, позволяют крупному адронному коллайдеру CERN измерять магнитные поля с максимальной эффективностью

Рис. 1. Высокопроизводительные аналоговые компоненты, в том числе аналого-цифровые преобразователи и мультиплексоры, позволяют крупному адронному коллайдеру CERN измерять магнитные поля с максимальной эффективностью

В самом простом случае измерительная схема состоит из одного единственного компонента – аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который необходим для оцифровки входных сигналов, поступающих от датчиков или других источников. Однако в реальных приложениях, прежде чем оцифровать входной сигнал, его следует должным образом подготовить: нормировать, усилить и отфильтровать (рис. 2). Очень часто для питания датчиков требуются дополнительные компоненты, например, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), прецизионные источники опорного напряжения и усилители.

Прежде чем оцифровать входной сигнал, его следует должным образом подготовить: преобразовать, усилить (при работе с сигналами с малой амплитудой), создать необходимое смещение и выполнить другие операции, которые зависят от требований конкретного приложения.

Рис. 2. Прежде чем оцифровать входной сигнал, его следует должным образом подготовить: преобразовать, усилить (при работе с сигналами с малой амплитудой), создать необходимое смещение и выполнить другие операции, которые зависят от требований конкретного приложения.

Усиление и фильтрация сигналов

Как правило, датчики и трансдьюсоры формируют сигналы с малой амплитудой. Без усиления эти сигналы позволяют использовать только часть полного динамического диапазона АЦП, что, приводит к потере информации из-за ограниченного разрешения АЦП и значительной погрешности от шума квантования. Таким образом, разработчики вынуждены использовать дополнительные входные усилители, чтобы нормировать амплитуду сигналов в соответствии с динамическим диапазоном АЦП. При этом усилитель должен обладать высоким собственным входным импедансом, чтобы не допустить искажения входного сигнала. Кроме того, необходимо, чтобы усилитель имел низкий выходной импеданс и выступал в качестве буфера, тем самым обеспечивая стабильность сигнала на момент выборки АЦП.

В настоящий момент к услугам разработчиков предлагается широкий выбор усилителей с различным функционалом и характеристиками. При этом любой разработчик подсознательно старается найти усилитель с наилучшими показателями. В то же время стоимость конечных изделий может быть значительно снижена, если выбирать не самые лучшие усилители, а те модели, которые просто удовлетворяют заявленным требованиям. Например, использование инструментального усилителя (ИУ) с максимально возможной скоростью нарастания и наименьшим шумом приведет к бессмысленному увеличению стоимости изделия, если интересующие сигналы меняются с небольшой скоростью и имеют амплитуду, значительно превышающую уровень шума. Аналогично, усилитель с высокими показателями линейности может оказаться избыточным при использовании АЦП со значительной собственной погрешностью.

Столкнувшись с жесткими требованиями в конкретных приложениях, разработчики стараются воспользоваться специализированными типами усилителей, например, инструментальными усилителями (instrumentation amplifier, IA), малошумящими усилителями (low-noise amplifiers, LNA), усилителями с программируемым усилением (programmable gain amplifiers, PGA). В то же время обычные операционные усилители способны обеспечить требуемые рабочие характеристики в большинстве типовых приложений. Например, малошумящие операционные усилители «rail-to-rail» AD850x от Analog Device, MAX963x от Maxim Integrated, OPA320 от Texas Instruments представляют собой недорогое решение, обеспечивающее широкий динамический диапазон и минимальный уровень шума в широком спектре измерительных систем.

Для многих приложений будет достаточно обычных операционных усилителей, однако в случаях, когда требуется удалить синфазную составляющую сигнала, не получится обойтись без дифференциального усилителя. Например, в системах, использующих мостовые датчики или в устройствах, работающих при большом уровне шума, требуется эффективное удаление синфазного сигнала, а этого можно добиться только с помощью усилителя с полностью дифференциальными входами. Некоторые дифференциальные усилители, в частности AD8476 от Analog Device и THX4531 от Texas Instruments, разрабатывались специально для нормирования дифференциальных сигналов для дальнейшей оцифровки с помощью АЦП. Кроме оптимизации интерфейса с АЦП усилители AD8476 могут похвастаться наличием встроенных резисторов с лазерной подстройкой, которые помогают уменьшить количество компонентов и общую стоимость измерительной цепи (рис.3).

Дифференциальные усилители, такие, например, как AD8476 от Analog Device, оснащены встроенными резисторами с лазерной подстройкой и оптимизированы для работы с АЦП. Все это упрощает создание измерительного канала, работающего с дифференциальными сигналами.

Рис. 3. Дифференциальные усилители, такие, например, как AD8476 от Analog Device, оснащены встроенными резисторами с лазерной подстройкой и оптимизированы для работы с АЦП. Все это упрощает создание измерительного канала, работающего с дифференциальными сигналами.

С одной стороны усиление сигнала расширяет динамический диапазон, с другой стороны оно же приводит к ухудшению шумовых показателей, что в свою очередь ограничивает динамический диапазон. В результате измерительная цепь требует дополнительного фильтра для ограничения воздействия шумов за пределами целевого частотного диапазона.

Для достижения максимальной гибкости разработчики создают фильтры на базе цифровых потенциометров, например, MAX540x от Maxim Integrated и TPS0102 от Texas Instruments. Для управления такими потенциометрами может использоваться как простая логика, так и управляющий микроконтроллер. Стоит отметить, что в приложениях с относительно стабильными характеристиками сигналов, для выполнения необходимой фильтрации будет вполне достаточно обычных пассивных компонентов.

Помимо ограничения уровня шумов, сигнальные цепи обычно требуют дополнительного антиалайзингового фильтра для удаления артефактов на частотах выше половины частоты дискретизации. Наличие высокой степени передискретизации значительно сокращает потребность в этом звене.

Преобразование сигналов

Схемы усиления и фильтрации предназначены исключительно для того, чтобы подготовить сигнал перед его оцифровкой с помощью АЦП. Следовательно, требования к характеристикам компонентов этих схем в значительной степени определяются характеристиками АЦП. Дорогостоящий прецизионный усилитель является бессмысленной тратой денег, если измерительная система работает с медленно меняющимися сигналами и от нее не требуется высокого разрешения.

На практике выбор оптимального АЦП и, следовательно, выбор компонентов измерительной цепи, основывается на тщательном анализе характеристик входных сигналов и общих функциональных требований конкретного приложения. Например, точность и стоимость схемы, используемой для периодического измерения медленно меняющейся температуры окружающей среды, будет значительно отличаться от стоимости измерительной цепи, предназначенной для формирования мгновенной обратной связи для системы управления критически важным технологическим процессом. При этом выбор АЦП обычно определяется частотой дискретизации и временем преобразования сигнала.

На настоящий момент к услугам разработчиков предлагаются АЦП с различной архитектурой. Каждая архитектура имеет свои достоинства и недостатки, определяющие уровень производительности и задержки. Например, АЦП прямого преобразования (flash ADC) обычно обеспечивают максимальную частоту дискретизации и минимальное время преобразования, но, как правило, экономически эффективны только при низких разрешениях. Примерами АЦП прямого преобразования являются AD782x от Analog Device и TLC0820 от Texas Instruments. В них применяется параллельная конфигурация элементов для обеспечения высокой скорости измерений. Высокая скорость измерений и минимальные значения задержек делают их идеальным выбором, например, для приложений, использующих кодирование голоса.

Напротив, АЦП последовательного приближения (SAR) и сигма-дельта АЦП (ΣΔ-АЦП) оказываются экономически эффективными в гораздо более широком спектре приложений. АЦП последовательного приближения являются оптимальным выбором для измерительных систем со средним и высоким разрешением. Эти преобразователи выполняют измерения за один цикл, что делает их пригодными для приложений сбора данных, требующих минимальной временной задержки: системы управления, системы измерения мощности, анализаторы сигналов.

Благодаря применению технологии передискретизации, ΣΔ-АЦП являются самым бюджетным вариантом при выполнении измерений с большим разрешением. С другой стороны, они характеризуются невысоким быстродействием, что ограничивает их использование в некоторых приложениях. В результате разработчики очень часто предпочитают АЦП последовательного приближения даже в ситуациях, когда производительности ΣΔ-АЦП было бы вполне достаточно. Например, АЦП последовательного приближения традиционно применяются в контурах управления и системах с мультиплексированием, в то время как ΣΔ-АЦП используются в таких системах достаточно редко из-за опасений относительно их невысокого быстродействия.

Задержки обратной связи могут создавать нестабильность при управлении промышленными системами, системами домашней автоматики и автомобильным оборудованием, поэтому разработчики для этих целей чаще выбирают АЦП последовательного приближения, и не рискуют использовать ΣΔ-АЦП. Однако на практике в приложениях с относительно медленными сигналами высокие значения задержек ΣΔ-АЦП могут оказывать незначительное влияние на стабильность контура управления.

В многоканальных приложениях часто мультиплексируют множество входных каналов в один АЦП. Это позволяет уменьшить стоимость, снизить габариты и сократить количество компонентов. В таких системах разработчики опять-таки предпочитают использовать АЦП последовательного приближения, так как ΣΔ-АЦП может попросту не успеть закончить измерение, прежде, чем возникнет необходимость переключиться на другой канал. Вместе с тем, существует широкий спектр приложений, в которых скорость изменения физических процессов, находящихся под наблюдением, оказывается значительно меньше, чем быстродействие ΣΔ-АЦП. В таких случаях мультиплексированные каналы могут быть легко обработаны с помощью преобразователей данного типа.

Обычные ΣΔ-АЦП хорошо подходят для приложений с медленно меняющимися сигналами. Кроме того существуют ΣΔ-АЦП с усовершенствованной структурой, в которых были решены традиционные проблемы, характерные для данной архитектуры. В качестве примера можно привести ADS124x от Texas Instruments, (рис.4). Применяемые в таких ΣΔ-АЦП сложные методы фильтрации, позволяют обеспечивать минимальную задержку. По этой причине 24-битные ΣΔ-АЦП ADS124x от TI способны работать с дифференциальными мультиплексированными входами с частотой до 2 кГц.

Усовершенствования архитектуры устранили многие традиционные проблемы ΣΔ-АЦП. Современные 24-битные ΣΔ-АЦП ADA124 способны обеспечивать работу дифференциальных мультиплексированных входов с минимальной задержкой.

Рис. 4. Усовершенствования архитектуры устранили многие традиционные проблемы ΣΔ-АЦП. Современные 24-битные ΣΔ-АЦП ADA124 способны обеспечивать работу дифференциальных мультиплексированных входов с минимальной задержкой.

Кроме грамотного подбора АЦП с учетом требований конкретного приложения, разработчики должны уделять пристальное внимание выбору источников опорного напряжения (ИОН). Стабильное опорное напряжение является определяющим фактором для обеспечения абсолютной точности при выполнении измерений. ИОН имеют особое значение в системах с батарейным питанием, где напряжение может колебаться по мере разряда аккумулятора. Аналогичная ситуация наблюдается в системах, питающихся от источника альтернативной энергии, напряжение которого зависит от внешних факторов, и также может изменяться в процессе работы.

В приложениях, которые не требуют высокой абсолютной точности, разработчики могут отказаться от прецизионных ИОН и воспользоваться различными мостовыми схемами (рис.5). Такая схема формирует относительный сигнал, который остается стабильным даже при изменении питающего напряжения.

АЦП MAX1415 от Maxim Integrated может работать с мостовой схемой, что позволяет отказаться от использования ИОН

Рис. 5. АЦП MAX1415 от Maxim Integrated может работать с мостовой схемой, что позволяет отказаться от использования ИОН

Цифровая часть измерительной схемы

Для взаимодействия АЦП с управляющим микроконтроллером обычно используется стандартный I²C- или SPI-совместимый последовательный интерфейс. При получении данных микроконтроллер может применить дополнительные программные или аппаратные алгоритмы фильтрации, чтобы улучшить соотношение сигнал/шум.

Возможность создания цифровых фильтров позволяет смягчить требования, предъявляемые к измерительной цепи. Например, разработчики могут увеличить интенсивность цифровой фильтрации, вместо того, чтобы вставлять дополнительные звенья аналоговых фильтров. Однако не стоит забывать, что повышение сложности программного обеспечения сопряжено с увеличением нагрузки на процессорное ядро, а также требует увеличения объемов памяти.

Вывод

При построении измерительных схем разработчики могут найти компоненты, характеристики которых могут удовлетворить самым взыскательным требованиям. Однако во многих приложениях для достижения всех заявленных характеристик нет необходимости в использовании самых совершенных из существующих аналоговых компонентов. Выбор АЦП в соответствии с предъявляемыми требованиями и дальнейший подбор аналоговых компонентов (усилителей, фильтров, ИОН и т.д.) с учетом характеристик АЦП позволяют разработчикам создавать измерительные системы с заданными параметрами и минимальной стоимостью.

В следующей статье «Измерительные схемы: проблемы и решения» мы более подробно рассмотрим особенности использования еще одного важного элемента измерительной схемы – инструментального усилителя.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ADS1240E
ADS1240E
Texas Instruments
Арт.: 200719 ИНФО PDF AN DT
Доступно: 270 шт. от: 740 руб.
A/D Converter (A-D) IC; Resolution (Bits):24; Sample Rate:5MHz; Input Channels Per ADC:4; Input Channel Type:Differential; Data Interface:Serial, SPI; Supply Voltage Min:2.7V; Supply Voltage Max:5.25V; Termination Type:SMD
ADS1240E от 740,00 от 6 шт. 634,00 от 13 шт. 571,00 от 27 шт. 528,00 от 60 шт. 502,00
272 шт.
(на складе)
ADS1242IPWR
ADS1242IPWR
Texas Instruments
Арт.: 358780 ИНФО PDF AN
Доступно: 488 шт. от: 409 руб.
24-Bit ADC, 4 Ch, PGA 1:128, 50/60 Hz Notch, 0.6 mW Power Consumption 16-TSSOP -40 to 85
ADS1242IPWR от 409,00 от 10 шт. 350,00 от 22 шт. 315,00 от 48 шт. 292,00 от 125 шт. 277,00
493 шт.
(на складе)
Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX5400EKA+T
MAX5400EKA+T
Maxim Integrated
Арт.: 269001 PDF AN RD
Доступно: 1194 шт. от: 137 руб.
Digital Potentiometer ICs 256-Tap Low-Drift
MAX5400EKA+T от 137,00 от 30 шт. 117,00 от 66 шт. 106,00 от 142 шт. 98,00 от 372 шт. 93,00
1474 шт.
(на складе)
MAX1415EPE+
MAX1415EPE+
Maxim Integrated
Арт.: 458437 PDF AN RD
Доступно: 227 шт.
Выбрать
условия
поставки
Analog to Digital Converters - ADC 16-Bit 2Ch .5ksps 1.75V Precision ADC
MAX1415EPE+ от 10 шт. от 1654,96
227 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX1415EWE+
MAX1415EWE+
Maxim Integrated
Арт.: 458440 PDF AN RD
Доступно: 157 шт.
Выбрать
условия
поставки
Analog to Digital Converters - ADC 16-Bit 2Ch .5ksps 1.75V Precision ADC
MAX1415EWE+ от 10 шт. от 1273,35
157 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX5409ETE+
MAX5409ETE+
Maxim Integrated
Арт.: 469531 PDF AN RD
Доступно: 622 шт.
Выбрать
условия
поставки
Digital Potentiometer ICs Dual Audio Log Taper
MAX5409ETE+ от 150 шт. от 321,32
622 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX6858UK45D1+T
Maxim Integrated
Арт.: 488439 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC MPU SUPERVISOR SOT23-5
MAX6858UK45D1+T
-
Поиск
предложений
MAX9637AXA+T
MAX9637AXA+T
Maxim Integrated
Арт.: 586852 PDF RD
Доступно: 943 шт.
Выбрать
условия
поставки
OP AMP, 1.5MHZ, 0.9V/US, SC70-8
MAX9637AXA+T от 8 шт. от 212,05
943 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX9638AVB+T
MAX9638AVB+T
Maxim Integrated
Арт.: 586853 PDF RD
Доступно: 1133 шт.
Выбрать
условия
поставки
OP AMP, 1.5MHZ, 0.9V/US, TQFN-10
MAX9638AVB+T от 9 шт. от 176,51
1133 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX9633ASA+
MAX9633ASA+
Maxim Integrated
Арт.: 680400 PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, 4,5-36V, 27MHZ, 0,75MS TS, 8SO
MAX9633ASA+
-
Поиск
предложений
Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AD8476ARMZ
AD8476ARMZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1050785 PDF RD
Доступно: 455 шт. от: 127 руб.
AMP, DIFF, UNITY GAIN, 8MSOP
AD8476ARMZ от 127,00 от 13 шт. 127,00 от 29 шт. 127,00 от 50 шт. 127,00 от 150 шт. 127,00
264 шт.
(на складе)
191 шт.
(под заказ)
AD8476BRMZ
AD8476BRMZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1079083 PDF RD
Доступно: 280 шт. от: 584 руб.
DIFF AMP, ADC DRIVER, 16 BIT, 8MSOP
AD8476BRMZ от 584,00 от 7 шт. 501,00 от 16 шт. 451,00 от 34 шт. 417,00 от 100 шт. 396,00
129 шт.
(на складе)
151 шт.
(под заказ)
AD8476ACPZ-R7
AD8476ACPZ-R7
Analog Devices Inc.
Арт.: 2389128 PDF RD
Доступно: 263 шт.
Выбрать
условия
поставки
DIFF AMP, 6MHZ, 10V/US, LFCSP16
AD8476ACPZ-R7 от 2 шт. от 758,42
263 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()