Progettare un circuito ADC ad alta precisione (esempio di ADC differenziale LTC2348 per segnali PSD)

Aug 17 2020

Contesto: sto per inviare una scheda alla manifattura che include l'LTC2348 per l'acquisizione ad alta precisione delle 3 uscite analogiche (single-ended) di un frontend PSD . I 3 segnali sono Xdiff (proporzionale allo spostamento X, +/- 10V), Ydiff (uguale per Y), Sum (0-10V, la norma ridotta del vettore [Xdiff, Ydiff]) (larghezza di banda 100Hz), quindi devono essere acquisiti allo stesso tempo. Sto puntando a una precisione di 300uV di picco su ogni canale, quindi devo stare attento, giusto?

Potresti rivedere la descrizione del design di seguito e dirmi cosa dovrebbe essere migliorato? Ho dubbi in particolare sulla messa a terra.

Condizionamento del segnale: il mio PCB ha 3 connettori SMA, ciascuno con un filtro RC passivo del primo ordine (R è l'impedenza di uscita frontend PSD) dimensionato per un taglio di 1,5 kHz riferito alla massa analogica locale e le uscite dei filtri sono bufferizzate da un basso amplificatore operazionale di precisione della tensione di offset in configurazione non invertente a guadagno unitario con compensazione della corrente di polarizzazione - OP1177 . Non ne ho trovati molti con queste specifiche in grado di gestire i 600Ohm a 10V da un'alimentazione di +/- 15V (non sono del tutto sicuro che funzionerà in effetti dato che 16mA è fuori dal grafico Vdropout, ma l'estrapolazione sembra dire che può? ). Non sono sicuro se dovrei aggiungere un altro limite da 220nF sul resistore di feedback.

Acquisizione: Quindi le uscite del buffer vanno agli ingressi di un ADC differenziale veramente bipolare - qui l' LTC2348-16 -, rispetto nuovamente alla massa analogica.

Schema di messa a terra: sia i buffer che l'ADC sono forniti con +/- 15V rispetto alla terra analogica. Ho controllato e normalmente tutti gli alimentatori del sistema sono isolati, quindi la terra analogica dovrebbe essere al centro di diversi terreni interconnessi senza loop:

Layout: ho indirizzato tutti i segnali (compresi i terreni) per assicurarmi di avere i percorsi più brevi e meno paralleli tra i segnali, ritorni vicini ai segnali e quindi ho aggiunto 2 piani di massa analogici su entrambi i lati superiore / inferiore. Ecco un riepilogo con una panoramica con gli aerei e alcuni segnali chiave evidenziati in blu senza aerei:

Per il controllo effettivo da UC, avvierò una conversione (alla frequenza di 600Hz) inviando un impulso di 1us sulla linea CNV, quindi aspetterò che BUSY sia basso e infine avvierò un trasferimento SPI standard finché non raccolgo i 3 primi pacchetti. Questo dispositivo è l'unico sulle linee SPI.

Domande:

C'è qualcosa di sbagliato che dovrei cambiare, sia nello schema che nel layout? Questo per garantire che il consiglio soddisfi i requisiti.
A quali altre buone pratiche non ho pensato? Questo per migliorare la mia comprensione dei circuiti analogici.

Ho provato a implementare la vera architettura di ingresso bipolare del datasheet dell'ADC; in alternativa suggerisce anche di utilizzare un LTC1469 come un modo per convertire da single ended a differenziale se pensi che sia molto meglio, ma non vedo perché ciò aumenterebbe la precisione qui (e il filtraggio come descritto non andrebbe bene con il 600Ohm Rin).

Altrimenti, per la stessa architettura, l'LT1468 potrebbe gestire meglio il carico nonostante le prestazioni complessive peggiori?

Risposte

2 VoltageSpike Aug 25 2020 at 18:11

C'è qualcosa di sbagliato che dovrei cambiare, sia nello schema che nel layout? Questo per garantire che il consiglio soddisfi i requisiti.

Non riesco a vedere il sensore e probabilmente non viene mostrato l'intero schema di schermatura. ma legare lo scudo all'ingresso ADC è un po 'insolito. In genere gli schermi vengono utilizzati per deviare la corrente a terra e lontano da segnali analogici sensibili. Suppongo che legare lo scudo all'ingresso analogico negativo dell'ADC sia un tentativo di sottrazione. Con il filtro solo sulla sottrazione di modo comune lato segnale

Qualsiasi accoppiamento di campo elettrico nello schermo dovrebbe essere deviato a terra, se ESD colpisce lo schermo c'è una piccola possibilità che possa essere diretto all'ADC, il che non è buono per l'ADC. Sarebbe meglio legare lo schermo a terra e creare il percorso di impedenza più basso per lo schermo a terra (a meno che tu non abbia una tensione di riferimento sullo schermo, che dal PCB suppongo che la risposta sia no.)

Un progetto di successo comporterà la visualizzazione e la gestione delle correnti di messa a terra e di ritorno. Le masse non sono mai zero volt, questo è un concetto necessario quando ci si avvicina al livello uV. I cavi sono nella gamma di resistenza da 100 mΩ a 10 mΩ. Supponiamo che tu abbia un sistema di messa a terra di 100 mΩ e che tu abbia un carico di commutazione di 3 mV \$ V = IR \$quindi \$ 3mA*100m\Omega = 300uV\$

Un carico di commutazione superiore a 3 mA sarebbe visibile senza una buona messa a terra.

o \$ 3mA*10m\Omega = 30uV\$

Quindi abbassando la resistenza del sistema di messa a terra (connettori dei cavi) si ridurrà il rumore della tensione di modo comune commutando i carichi.

Un buon sistema analogico nella gamma sub milivolt è quello in cui ci sono pochi o nessun carico di commutazione sul sistema di terra del sottosistema analogico. Questo significa anche mettere i regolatori e soprattutto i riferimenti vicino all'ADC (regoleranno la tensione a qualunque sia il loro pin di terra, quindi anche se hai una massa mobile, non causerà problemi se l'ADC e il riferimento di tensione lo vedono)

Per quanto riguarda la messa a terra, hai un loop di terra se le tue linee digitali corrono direttamente dall'ADC al processore, sarebbe meglio se usassi isolatori digitali se possibile tra le due sezioni, specialmente se la scheda motore ha un carico variabile ( quale il processore è un carico mutevole in sé e per sé). Se il punto di messa a terra è solo tra le due schede nel punto in cui hai mostrato qualsiasi differenza di potenziale nelle tensioni del sistema di terra si tradurrà in una corrente . Quindi è meglio isolare. E con l'isolamento, assicurati che anche i regolatori di tensione per le rotaie si trovino accanto all'ADC. Se stai pilotando il sottosistema analogico da un alimentatore, controlla l'ondulazione sull'alimentatore e come influenzerà il sottosistema analogico, è meglio usare i regolatori di tensione per prendersi cura del ripple o del rumore dagli alimentatori. Il PSRR degli amplificatori operazionali (e dell'ADC) determinerà la quantità di rumore dell'alimentatore che entra nel segnale.

Se vuoi fare meglio di 300uV, assicurati che il piano di massa non abbia correnti che viaggiano attraverso la sezione analogica (come la linea blu). Assicurarsi che le correnti dagli schermi tornino a terra. Quando dico di mantenere questa zona priva di correnti di ritorno, non avere carichi che invieranno una corrente di ritorno attraverso la sezione ADC (la corrente si diffonde effettivamente sul piano di massa, quindi segue il percorso di impedenza più bassa (resistenza a CC) di nuovo alla sorgente (un alimentatore). Ad esempio, supponiamo che la via in C35 stia scaricando una corrente variabile di 10 mA o più e l'ingresso dell'alimentatore si trova in J19. La corrente da 10 mA fluirà verso J19 e i pin di terra (e tappi i perni di terra) vedrebbero i loro terreni spostarsi su e giù, il che è indesiderabile.

Se il sensore è collegato a terra, si verificheranno problemi e loop di massa (a prescindere dal fatto che SMA_CHx sia collegato.

A parte questo, non posso commentare molto senza vedere più del design.

SE la gamma di frequenza del sottosistema analogico è da DC a 600Hz, allora metti assolutamente un filtro passa-basso sull'ADC a 600Hz o vicino. I filtri riducono il rumore ed è molto più facile aggiungere un limite a un design rispetto al filtraggio digitale.