Разработайте схему АЦП высокой точности (пример дифференциального АЦП LTC2348 для сигналов PSD)

Aug 17 2020

Контекст: я собираюсь отправить в производство плату, которая включает в себя LTC2348 для высокоточного сбора данных с 3 аналоговых выходов (несимметричных) внешнего интерфейса PSD . Эти 3 сигнала: Xdiff (пропорционально смещению X, +/- 10 В), Ydiff (то же самое для Y), Sum (0-10 В, уменьшенная норма вектора [Xdiff, Ydiff]) (полоса пропускания 100 Гц), поэтому они должны быть приобретены одновременно. Я стремлюсь к точности пикового значения 300 мкВ на каждом канале, поэтому мне нужно быть осторожным, верно?

Не могли бы вы просмотреть приведенное ниже описание дизайна и сказать, что следует улучшить? В частности, у меня есть сомнения по поводу заземления.

Обработка сигнала: Моя печатная плата имеет 3 разъема SMA, каждый с пассивным RC-фильтром первого порядка (R - выходной импеданс внешнего интерфейса PSD), рассчитанный на отсечку 1,5 кГц относительно локальной аналоговой земли, а выходы фильтров буферизированы низким уровнем Прецизионный операционный усилитель напряжения смещения в неинвертирующей конфигурации с единичным усилением и компенсацией тока смещения - OP1177 . Я не нашел многих с этими характеристиками, способных обрабатывать 600 Ом при 10 В от источника питания +/- 15 В (не совсем уверен, что это сработает на самом деле, поскольку 16 мА находится вне графика Vdropout, но экстраполяция, похоже, говорит, что может? ). Не уверен, следует ли добавить еще один конденсатор 220 нФ на резистор обратной связи.

Сбор данных: Затем выходы буфера идут на входы дифференциального действительно биполярного АЦП - здесь LTC2348-16 - снова относительно аналоговой земли.

Схема заземления: как на буферы, так и на АЦП подается напряжение +/- 15 В относительно аналоговой земли. Я проверил, и обычно все блоки питания в системе изолированы, поэтому аналоговая земля должна быть в центре нескольких взаимосвязанных заземлений без петель:

Компоновка: я проложил все сигналы (включая заземление), чтобы убедиться, что у меня есть самые короткие, наименее параллельные пути между сигналами, возвратные сигналы близки к сигналам, а затем добавил 2 аналоговых заземляющих слоя с обеих верхних и нижних сторон. Вот сводка с обзором с плоскостями и некоторыми ключевыми сигналами, выделенными синим без плоскостей:

Для фактического управления с микроконтроллера я начну преобразование (на частоте 600 Гц), отправив импульс 1 мкс на линию CNV, затем я буду ждать, пока BUSY станет низким, и, наконец, я инициирую стандартную передачу SPI пока не соберу 3 первых пакета. Это единственное устройство на линиях SPI.

Вопросов:

  1. Что-то не так, что я должен изменить, будь то схема или макет? Это необходимо для того, чтобы плата соответствовала требованиям.
  2. О каких еще хороших методах я не подумал? Это сделано для лучшего понимания аналоговых схем.

Я пробовал реализовать настоящую архитектуру биполярного ввода из таблицы данных ADC; в качестве альтернативы он также предлагает использовать LTC1469 как способ преобразования из несимметричного в дифференциальный, если вы думаете, что это намного лучше, но я не понимаю, почему это может повысить точность здесь (а описанная фильтрация не будет работать с 600 Ом Рин).

В противном случае, для той же архитектуры LT1468 может лучше справляться с нагрузкой, несмотря на худшую производительность в целом?

Ответы

2 VoltageSpike Aug 25 2020 at 18:11

Что-то не так, что я должен изменить, будь то схема или макет? Это необходимо для того, чтобы плата соответствовала требованиям.

Я не вижу датчик и, вероятно, не показана вся схема экранирования. но привязать экран ко входу АЦП немного необычно. Обычно экраны используются для шунтирования тока на землю и от чувствительных аналоговых сигналов. Я полагаю, что привязка экрана к отрицательному аналоговому входу АЦП - это попытка получить вычитание. С фильтром только на стороне сигнала вычитание синфазного сигнала

Любое электрическое поле, входящее в экран, должно быть шунтировано на землю. Если электростатический разряд попадает на экран, есть небольшая вероятность, что оно может быть направлено на АЦП, что не очень хорошо для АЦП. Было бы лучше, чтобы связать щит на землю и создать наименьший путь сопротивления для экрана к земле (Если у вас есть некоторое опорное напряжение на щите, который от печатной платы я бы предположить, ответа нет.)

Успешный дизайн приведет к визуализации и управлению заземляющими и обратными токами. Заземление никогда не бывает нулевым вольт, это концепция, которая необходима при приближении к уровню УФ. Кабели имеют сопротивление в диапазоне от 100 мОм до 10 мОм. Допустим , у вас есть система заземления , которая является 100 МОм и у вас есть переключения нагрузки, которая 3мВ \$ V = IR \$так что \$ 3mA*100m\Omega = 300uV\$

Без хорошего заземления будет наблюдаться коммутационная нагрузка более 3 мА.

или \$ 3mA*10m\Omega = 30uV\$

Таким образом, за счет снижения сопротивления системы заземления (кабельных разъемов) уменьшится синфазный шум напряжения за счет переключения нагрузок.

Удачная аналоговая система в субмиловольтном диапазоне - это система, в которой коммутируемые нагрузки на наземной системе аналоговой подсистемы практически отсутствуют. Это также означает внедрение регуляторов и особенно ссылки близко к АЦП (они будут регулировать напряжение на то , что их контактом заземления является, таким образом , даже если у вас есть сдвигая землю, она не будет причиной проблем , если АЦП и опорное напряжение видеть)

Что касается заземления, у вас действительно есть контур заземления, если ваши цифровые линии проходят напрямую от АЦП к процессору, было бы лучше, если бы вы использовали цифровые изоляторы, если это возможно, между двумя секциями, особенно если на плате двигателя есть изменяющаяся нагрузка ( который сам по себе является изменяющейся нагрузкой). Если точка заземления находится только между двумя платами в той точке, которую вы показали, любая разница потенциалов в напряжениях системы заземления приведет к возникновению тока . Так что лучше изолировать. Что касается изоляции, убедитесь, что регуляторы напряжения для шин также расположены рядом с АЦП. Если вы управляете аналоговой подсистемой от источника питания, проверьте пульсации на источнике питания и то, как это повлияет на аналоговую подсистему, лучше всего использовать регуляторы напряжения, чтобы устранить пульсации или шум от источников питания. PSRR операционных усилителей (и АЦП) будет определять, сколько шума источника питания попадает в сигнал.

Если вы хотите получить более 300 мкВ, убедитесь, что в заземляющем слое нет токов, проходящих через аналоговую секцию (как синяя линия). Убедитесь, что токи от экранов возвращаются на землю. Когда я говорю, что в этой зоне не должно быть обратных токов, не нужно иметь никаких нагрузок, которые будут отправлять обратный ток обратно через секцию АЦП (ток на самом деле распространяется по плоскости заземления, а затем следует по пути наименьшего импеданса (сопротивление при постоянном токе) обратно к источнику (источнику питания). Например, допустим, переходное отверстие на C35 сбрасывало изменяющийся ток 10 мА или более, а вход источника питания находился на J19. Ток 10 мА будет течь к J19 и контактам заземления. (и заземляющие контакты колпачков) будут видеть, как их заземление перемещается вверх и вниз, что нежелательно.

Если ваш датчик заземлен, это приведет к проблемам и контурам заземления (независимо от того, к чему подключен SMA_CHx.

Помимо этого, я не могу много комментировать, не увидев больше дизайна.

ЕСЛИ ваш частотный диапазон аналоговой подсистемы составляет от постоянного тока до 600 Гц, тогда обязательно установите фильтр нижних частот на АЦП на частоте 600 Гц или около нее. Фильтры уменьшают шум, а ограничение на дизайн намного проще, чем цифровая фильтрация.

1 td127 Aug 25 2020 at 19:55

Если ничего другого, по крайней мере, управляйте обоими входами АЦП.

Это дает АЦП на 6 дБ больший динамический диапазон для работы, потому что он видит вдвое больший уровень.

Вам просто нужно добавить инвертор (операционный усилитель) к каждому из ваших существующих выходов ADC_CHn +.

Используйте одну половину двойного операционного усилителя для цепи +, а другую половину - для инвертированной версии.

смоделировать эту схему - Схема, созданная с помощью CircuitLab