Przetworniki ADC - zabezpieczenie wejść

Rys. 1. Typowa konfiguracja przetwornika ADC rodziny PulSAR

Konstruktor projektujący układy wejściowe systemów mikroprocesorowych z przetwornikami ADC staje często wobec problemu dopasowania zakresów napięciowych gwarantujących poprawną pracę urządzenia i zapewniających jego bezpieczeństwo. Przykładem niech będzie układ z interfejsem wejściowym, w którym zastosowano wzmacniacz operacyjny zasilany napięciami ±15 V.

Jeżeli ma on współpracować z przetwornikiem analogowo- cyfrowym zasilanym pojedynczym napięciem 0...+5 V, może zaistnieć niebezpieczeństwo wystąpienia na wejściu ADC ujemnego napięcia uszkadzającego ten element. Problem taki jest dość powszechny w układach automatyki, w których bardzo często stosowane są napięcia wejściowe z zakresu ±10 V (np. sterowniki PLC). Przykłady opisane w artykule oparto na przetworniku SAR ADC rodziny AD798x, ale dotyczą również innych typów układów.

Przykładową aplikację przetwornika analogowo-cyfrowego SAR przedstawiono na rysunku 1. Można w niej zastosować np. układ AD7980 należący do rodziny przetworników PulSAR firmy Analog Devices. Wejście przetwornika jest wewnętrznie zabezpieczone diodami dołączonymi do napięcia referencyjnego i do masy.

Diody te mogą przewodzić prąd o natężeniu do 130 mA, ale tylko przez kilka milisekund. Nie chronią przed uszkodzeniem wejść przetwornika w przypadku dłuższych przepięć lub szybko powtarzających się impulsów. W niektórych przetwornikach rodziny AD768x/9x, np. AD7685 lub AD7691, zastosowano diody dołączone do napięcia zasilającego VDD zamiast do napięcia referencyjnego. Napięcie VDD jest w tych układach zawsze większe lub równe napięciu VREF. Rozwiązanie takie jest lepsze, gdyż linia zasilająca jest bardziej odporna na zwarcia i mniej wrażliwa na zakłócenia.

Jeżeli wzmacniacz z rysunku 1 zostanie wysterowany tak, że jego napięcie wyjściowe osiągnie wartość zbliżoną do napięcia zasilającego +15 V (będzie tak w przybliżeniu dla wzmacniacza typu rail-to-rail), to górna dioda zabezpieczająca włączy się i wzmacniacz będzie próbował podciągnąć napięcie REF do góry. Jak widać, mamy tu sytuację postawioną na ostrzu noża, zwycięży silniejsze źródło napięciowe.

Rys. 2. Układ symulujący pracę przetwornika ADC z wewnętrznym zabezpieczeniem diodowym: a) schemat ideowy, b) przebiegi napięciowe w charakterystycznych punktach układu

Jeśli wydajność prądowa źródła referencyjnego nie będzie dostatecznie wysoka, wygra driver podający napięcie do wejścia przetwornika. Napięcie to przekroczy dopuszczalny zakres, co niechybnie doprowadzi do uszkodzenia przetwornika. Symulację takiego przypadku przedstawiono na rysunku 2. Wydajność źródła referencyjnego jest modelowana rezystorem "rref".

Na wykresie z rysunku 2b zawarto dwa przypadki. Kolorem zielonym przedstawiono konfigurację, w której źródło referencyjne spełni swoje zadanie i wewnętrzna dioda zabezpieczająca nie dopuści do nadmiernego wzrostu napięcia. Na wykresie czerwonym wydajność drivera wejściowego jest większa, a to oznacza, że przetwornik może zostać uszkodzony. Należy zauważyć, że jeżeli nawet po przekroczeniu napięcia wejściowego elementy nie zostaną uszkodzone, to praca przetwornika analogowo-cyfrowego nie będzie w tym zakresie prawidłowa.

W aplikacjach wykorzystujących kilka przetworników analogowo-cyfrowych pracujących ze wspólnym napięciem referencyjnym przesterowanie jednego przetwornika może oddziaływać na pracę pozostałych. Nawet jeśli takie przesterowanie będzie tylko chwilowe, układ może wymagać pewnego czasu powrotu do normalnych warunków pracy. Mimo pozornego zaniku przesterowania kolejne konwersje będą więc również nieprawidłowe.

Metody zabezpieczeń w układach wykorzystujących jedno źródło referencyjne i kilka ADC

Rys. 3. Konfiguracja przetwornika z zewnętrznymi diodami Schottky’ego zabezpieczającymi wejście ADC

W praktyce można spotkać się z kilkoma metodami rozwiązywania problemu współdzielenia jednego źródła referencyjnego przez kilka przetworników ADC. Do zwierania napięcia przesterowującego przetwornik stosowane są najczęściej dodatkowe diody Schottky’ego (np. BAT54) dołączane do jego wejścia (rys. 3). Działanie układu przedstawiono na symulacji z rysunku 4.

Porównując rysunek 2b i 4b, można łatwo zauważyć, że diody Schottky’ego skutecznie zabezpieczają wejście przetwornika, nawet jeśli wydajność prądowa źródła referencyjnego nie jest dostatecznie wysoka. W każdym przypadku napięcie na wejściu przetwornika nie przekracza bezpiecznego zakresu. Taką samą metodą są też zabezpieczane wejścia wzmacniaczy, jeśli wymaga tego aplikacja.

Zastosowanie diod Schottky’ego wynika z ich niższego progu włączenia w porównaniu z typową diodą prostowniczą. Nie bez znaczenia jest również rezystor szeregowy znajdujący się za diodą. Ogranicza on dodatkowo prąd, który popłynąłby przez ewentualnie częściowo włączone diody wewnętrzne.

Rys. 4. Układ symulujący pracę przetwornika ADC z dodatkowymi zewnętrznymi diodami zabezpieczającymi: a) schemat ideowy, b) przebiegi napięciowe w charakterystycznych punktach układu

Spotykane jest także dołączanie diody Zenera do zewnętrznego napięcia referencyjnego. Zabezpieczenie takie powinno być uwzględniane w projektach, w których wydajność prądowa źródła referencyjnego jest niewielka. W przykładzie napięcie referencyjne 5 V zostało zabezpieczone diodą 5,6 V.

Na rysunku 5 przedstawiono rezultat działania zabezpieczenia przed przesterowaniem przetwornika ADC zrealizowanym za pomocą dwóch diod Schottky’ego. Są one dołączone pomiędzy wejściem przetwornika i napięciem zasilającym 5 V oraz masą (rys. 3). Przy braku tych diod (rys. 5a) obserwuje się wyraźne zakłócenia występujące na linii napięcia referencyjnego (przebieg zielony).

Pojawiają się one, gdy napięcie we jściowe staje się większe od napięcia referencyjnego. Oscylogram z rysunku 5b został sporządzony po dołączeniu zewnętrznych diod Schottky’ego. W tym przypadku nie obserwujemy żadnych zakłóceń na linii VREF.

Rys. 5. Oscylogramy ilustrujące działanie zewnętrznych diod zabezpieczających: a) układ bez zabezpieczenia, b) układ z zabezpieczeniem

Każdy kij ma niestety dwa końce, o czym można przekonać się, stosując opisany rodzaj zabezpieczenia. Diody Schottky’ego wprawdzie chronią przetwornik ADC przed uszkodzeniem, ale stanowią jednak "obce ciało" w obwodzie. Prąd wsteczny diod może być przyczyną powstania nieliniowości oraz zakłóceń przetwarzania.

Co gorsza, prąd wsteczny jest zależny od temperatury, wpływając tym samym na pogorszenie parametrów temperaturowych całego urządzenia. Należy więc bardzo starannie dobierać typ diod Schottky’ego. Dobre rezultaty zapewniają diody BAT54, których prąd wsteczny osiąga wartości 2 µA dla 25°C i ok. 100 µA dla 125°C.

Jedną ze spotykanych w praktyce metod zabezpieczania wejść przetworników ADC jest stosowanie pojedynczego napięcia zasilającego wspólnego dla wzmacniacza i przetwornika. W ten sposób napięcie sterujące nigdy nie przekroczy dopuszczalnego napięcia wejściowego, zarówno od strony masy, jak i od strony linii zasilającej. Warunkiem jest jednak, aby napięcia zasilające i referencyjne były sobie równe. Jeśli wydajność prądowa źródła referencyjnego jest dostatecznie duża, może być ono wykorzystane również do bezpośredniego zasilania wzmacniacza wejściowego.

Rys. 6. Zastosowanie źródła referencyjnego o obniżonym napięciu do zabezpieczenia wejścia przetwornika ADC

Inne rozwiązanie przedstawiono na rysunku 6. Napięcie referencyjne jest niewiele niższe od zasilającego. Może to powodować nieznaczne przesterowywanie przetwornika, nie będzie ono jednak groźne.

Zastosowanie pojedynczego (wspólnego dla wzmacniacza i przetwornika ADC) napięcia zasilającego jakkolwiek skutecznie chroni drogi przetwornik przed uszkodzeniem, to wprowadza mniejsze lub większe ograniczenie zakresu przetwarzania. Każdy wzmacniacz, nawet rail-to-rail, charakteryzuje się maksymalnym zakresem zmian napięcia wyjściowego, które zawsze będzie mniejsze od napięcia zasilającego.

Ograniczenie występuje zarówno od strony zasilania, jak i od strony masy. Konstrukcja wzmacniaczy rail-to-rail pozwala minimalizować to ograniczenie do kilkudziesięciu miliwoltów, ale w tradycyjnych wzmacniaczach operacyjnych może być ono nawet rzędu 1 V.

Nie trzeba wykonywać skomplikowanych obliczeń, aby przekonać się, jak zostałby w takim przypadku ograniczony efektywny zakres przetwarzania ADC. Najlepsze, akceptowalne rezultaty zapewniają jedynie wzmacniacze rail-to-rail input-otput (RRIO) charakteryzujące się minimalnymi ograniczeniami zakresu zmian zarówno napięcia wejściowego, jak i wyjściowego.

Na zakończenie należy jeszcze rozpatrzyć wpływ rezystora stanowiącego element filtru RC umieszczanego ewentualnie między wyjściem wzmacniacza a wejściem przetwornika. Będzie on dodatkowo ograniczał prąd wejściowy wpływający do przetwornika ADC.

Jego rezystancja musi być dobrana jako kompromis między przyjętym ograniczeniem prądowym a wydajnością przetwornika. Rezystor o większej oporności lepiej zabezpieczy wejście, ale spowoduje większy błąd przetwarzania. Większa rezystancja może być stosowana dla wąskiego pasma sygnału lub wtedy, gdy przetwornik nie pracuje z pełną wydajnością. Jest ona często dobierana eksperymentalnie.

Wnioski

Analizując opisane w artykule metody zabezpieczeń, nasuwa się jeden wniosek - nie istnieje złoty środek gwarantujący pełne bezpieczeństwo i niewprowadzający jednocześnie pewnych ograniczeń w działaniu układu. Wybór metody powinien być dokonywany zawsze z uwzględnieniem indywidualnych wymogów aplikacji. Jeśli pojedyncze zabezpieczenie okaże się niewystarczające, dopuszczalne jest łączenie kilku metod. Zawsze ostateczne rozwiązanie będzie kompromisem pomiędzy skutecznością a wydajnością całego układu przetwarzającego sygnał.

Jarosław Doliński