Yüksek doğrulukta bir ADC devresi tasarlayın (PSD sinyalleri için diferansiyel ADC LTC2348 örneği)
Açıklama: Üretime, bir PSD ön ucunun 3 analog çıkışının (tek uçlu) yüksek hassasiyetli edinimi için LTC2348'i içeren bir kart göndermek üzereyim . 3 sinyal, Xdiff (X yer değiştirmesiyle orantılı, +/- 10V), Ydiff (Y için aynı), Sum (0-10V, [Xdiff, Ydiff] vektörünün küçültülmüş normu) (100Hz bant genişliği), bu nedenle aynı zamanda edinilmeleri gerekir. Her kanalda 300uV pik doğruluğu hedefliyorum, bu yüzden dikkatli olmam gerekiyor, değil mi?
Aşağıdaki tasarım açıklamasını inceleyip bana nelerin iyileştirilmesi gerektiğini söyler misiniz? Özellikle topraklama konusunda şüphelerim var.
Sinyal koşullandırma: PCB'mde, yerel analog toprağa referansla 1.5 kHz kesme için boyutlandırılmış pasif birinci dereceden RC filtresi (R, PSD ön uç çıkış empedansıdır) içeren 3 SMA konektörü vardır ve filtrelerin çıkışları düşük bir tamponla tamponlanır. Öngerilim akımı kompanzasyonu ile birlik-kazançlı ters çevirmeyen konfigürasyonda ofset voltaj hassas opamp - OP1177 . +/- 15V beslemeden 10V'de 600Ohm'u işleyebilecek bu özelliklere sahip pek çok şey bulamadım (aslında 16mA Vdropout grafiğinin dışında olduğu için bunun işe yarayacağından tam olarak emin değilim, ancak ekstrapolasyon bunu yapabilir mi? ). Geri besleme direncine başka bir 220nF kapak eklemem gerekip gerekmediğinden emin değilim.
Edinim: Daha sonra tamponun çıkışları diferansiyel gerçek bir çift kutuplu ADC'nin - burada LTC2348-16 - girişlerine, yine analog zemine göre gider .
Topraklama şeması: Hem tamponlar hem de ADC, Analog toprağa göre +/- 15V ile beslenir. Kontrol ettim ve normalde sistemin tüm PSU'ları izole edildi, bu nedenle Analog toprak, döngüler olmadan birbirine bağlı birkaç zeminin merkezinde olmalıdır:
Düzen: Sinyaller arasında en kısa, en az paralel yollara sahip olduğumdan emin olmak için tüm sinyalleri (zeminler dahil) yönlendirdim, sinyallere yakın dönüşler yaptım ve ardından her iki üst / alt tarafa 2 analog yer düzlemi ekledim. Aşağıda, uçaklara genel bir bakış ve düzlemler olmadan maviyle vurgulanan bazı önemli sinyaller içeren bir özet bulunmaktadır:
UC'den gerçek kontrol için, CNV hattına 1us'luk bir darbe göndererek bir dönüştürme (600Hz frekansta) başlatacağım, sonra MEŞGUL'ün düşük olmasını bekleyeceğim ve sonunda standart bir SPI aktarımı başlatacağım ilk 3 paketi toplayana kadar. Bu cihaz, SPI hatlarındaki tek cihazdır.
Sorular:
- Şematik veya düzende olsun, değiştirmem gereken yanlış bir şey var mı? Bu, yönetim kurulunun gereksinimleri karşıladığından emin olmak içindir.
- Başka hangi iyi uygulamaları düşünmedim? Bu, analog devreler hakkındaki anlayışımı geliştirmek içindir.
ADC veri sayfasının gerçek iki kutuplu giriş mimarisini uygulamayı denedim; Alternatif olarak, bunun çok daha iyi olduğunu düşünüyorsanız, tek uçludan diferansiyele dönüştürmenin bir yolu olarak bir LTC1469 kullanmayı önerir , ancak bunun neden doğruluğu artıracağını anlamıyorum (ve açıklandığı gibi filtreleme 600Ohm ile iyi sonuç vermez. Rin).
Aksi takdirde, aynı mimari için LT1468, genel olarak daha kötü performansa rağmen yükü daha iyi kaldırabilir mi?
Yanıtlar
Şematik veya düzende olsun, değiştirmem gereken yanlış bir şey var mı? Bu, yönetim kurulunun gereksinimleri karşıladığından emin olmak içindir.
Sensörü göremiyorum ve ekranlama şemasının tamamı muhtemelen gösterilmiyor. ancak kalkanı ADC girişine bağlamak biraz sıra dışı. Tipik olarak kalkanlar, akımı toprağa ve hassas analog sinyallerden uzağa yönlendirmek için kullanılır. Sanırım ekranı ADC'nin negatif analog girişine bağlamanın bir çıkarma girişimi olduğunu düşünüyorum. Yalnızca sinyal tarafındaki filtre ile ortak mod çıkarma
Kalkana herhangi bir elektrik alanı kuplajı toprağa şöntlenmelidir, eğer ESD kalkan üzerine çarparsa, ADC'ye yönlendirilebilmesi için küçük bir şans vardır ki bu ADC için iyi değildir. Blendajı toprağa bağlamak ve blendajın toprağa bağlanması için en düşük empedans yolunu oluşturmak daha iyi olacaktır (Kalkanda, PCB'den cevabın hayır olduğunu tahmin edeceğim bir referans voltajınız yoksa.)
Başarılı bir tasarım, topraklama ve dönüş akımlarının görselleştirilmesi ve yönetilmesiyle sonuçlanacaktır. Zeminler asla sıfır volt değildir, bu, uV seviyesine yaklaşırken gerekli olan bir kavramdır. Kablolar 100mΩ ila 10mΩ direnç aralığındadır. Diyelim ki 100mΩ topraklama sisteminiz var ve 3mV anahtarlama yükünüz var \$ V = IR \$yani \$ 3mA*100m\Omega = 300uV\$
İyi bir topraklama olmadan 3mA'dan fazla bir anahtarlama yükü görülebilir.
veya \$ 3mA*10m\Omega = 30uV\$
Bu nedenle, topraklama sisteminin (kablo konektörleri) direncini düşürmek, yükleri değiştirerek ortak mod voltaj gürültüsünü azaltacaktır.
Alt milivolt aralığında mutlu bir analog sistem, analog alt sistemin zemin sisteminde anahtarlama yüklerinin çok az olduğu veya hiç olmadığı bir sistemdir. Bu aynı zamanda regülatörleri ve özellikle de referansları ADC'ye yakın yerleştirmek anlamına gelir (voltajı toprak pimi ne olursa olsun düzenleyeceklerdir, böylece değişen bir zemine sahip olsanız bile, ADC ve voltaj referansı görürse sorun yaratmayacaktır )
Topraklama söz konusu olduğunda, dijital hatlarınız doğrudan ADC'den işlemciye geçerse topraklama döngüsüne sahipsiniz, mümkünse iki bölüm arasında dijital izolatörler kullansanız daha iyi olur, özellikle de motor kartının değişen bir yükü varsa ( işlemcinin kendi içinde değişen bir yük olduğu). Topraklama noktası, gösterdiğiniz noktada yalnızca iki kart arasındaysa , topraklama sisteminin voltajlarında herhangi bir potansiyel fark olması bir akımla sonuçlanacaktır . Bu yüzden izole etmek en iyisidir. Ve izolasyonla, raylar için voltaj regülatörlerinin de ADC'nin yanında bulunduğundan emin olun. Analog alt sistemi bir güç kaynağından sürüyorsanız, güç kaynağındaki dalgalanmayı ve bunun analog alt sistemi nasıl etkileyeceğini kontrol edin, güç kaynaklarından gelen dalgalanma veya gürültüyle ilgilenmek için voltaj düzenleyicileri kullanmak en iyisidir. Opampların (ve ADC'nin) PSRR'si sinyale ne kadar güç kaynağı gürültüsünün gireceğini belirleyecektir.
300uV'den daha iyisini yapmak istiyorsanız, yer düzleminin Analog bölümden (mavi çizgi gibi) geçen hiçbir akım olmadığından emin olun. Kalkanlardaki akımların toprağa döndüğünden emin olun. Bu bölgeyi dönüş akımlarından uzak tutun dediğimde, ADC bölümünden geri dönüş akımı gönderecek herhangi bir yüke sahip olmayın (akım aslında zemin düzleminde yayılır, ardından en düşük empedans yolunu izler (DC'de direnç) kaynağa geri dönün (bir güç kaynağı) Örneğin, C35'teki yolun 10mA veya daha fazla değişen bir akımı boşalttığını ve güç kaynağı girişinin J19'da bulunduğunu varsayalım. 10mA akım J19'a ve toprak pimlerine doğru akacaktır. (ve yer pimlerini kapaklar) zeminlerinin yukarı ve aşağı kaymasını görecektir ki bu istenmeyen bir durumdur.
Sensörünüz topraklanmışsa, bu sorunlara ve toprak döngülerine neden olacaktır (SMA_CHx neye bağlıysa.
Bunun dışında tasarımı daha fazla görmeden pek yorum yapamam.
Analog alt sistemin frekans aralığınız DC ila 600Hz ise, o zaman kesinlikle ADC'lere 600Hz veya yakınında bir düşük geçiş filtresi koyun. Filtreler gürültüyü azaltır ve bir tasarıma kapak eklemek dijital olarak filtrelemekten çok daha kolaydır.
Hiçbir şey değilse, en azından ADC'nin her iki girişini de sürün.
Bu, ADC 6dB'ye çalışmak için daha dinamik bir aralık verir, çünkü seviyenin iki katını görür.
Mevcut ADC_CHn + çıkışlarınızın her birine bir invertör (opamp) eklemeniz yeterlidir.
+ Devresi için ikili opampın bir yarısını ve ters çevrilmiş sürüm için diğer yarısını kullanın.
bu devreyi simüle edin - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik