Izolacja w systemie akwizycji danych - zapewnia wysoką wydajność i doskonałe parametry
| TechnikaW nowoczesnych systemach automatyki przemysłowej coraz ważniejsze staje się zapewnienie niezawodności, dokładności i wydajności procesu akwizycji danych (DAQ). Droga do tego celu wiedzie przez zapewnienie izolacji w wielu miejscach łańcucha sygnałowego, pomiędzy źródłem, czyli miejscem, gdzie jest on pozyskiwany, a procesorem aplikacji.
Zapewnienie izolacji w łańcuchu pomiarowym sygnału analogowego jest trudnym zadaniem. Wymagana jest dbałość o szczegóły, aby zapewnić wysokie parametry i integralność sygnału przy obecności zakłóceń i przy zmianach temperatury. Dla wielu projektantów pomocne może być lepsze zrozumienie czekających ich problemów jeszcze przed wyborem odpowiedniej technologii izolacji spośród dostępnych rozwiązań.
Artykuł omawia zagadnienia związane z opracowywaniem i optymalizacją wysokiej klasy izolowanego systemu akwizycji danych, gdzie termin "wysokiej klasy" obejmuje atrybuty precyzji, dokładności i integralności sygnału. Następnie przedstawiono rozwiązania firmy Analog Devices z tego zakresu tematycznego i pokazano, jak można je wykorzystać do utworzenia takiego systemu.
Optymalizacja bloków funkcjonalnych
Typowy system akwizycji danych składa się z kilku bloków funkcjonalnych, które tworzą łańcuch pomiarowy od czujnika wielkości fizycznej po procesor przetwarzający dane cyfrowe w aplikacji. Jego częścią jest głowica wejściowa (analog front-end, AFE) realizująca wstępną obróbkę taką jak wzmocnienie i konwersja poziomów (kondycjonowanie), dalej jest to przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) zapewniający konwersję na postać cyfrową, a dalej kontroler, który może obejmować mały mikrokontroler lub znacznie większy system komputerowy (rys. 1).
W zakresie precyzji działania i dokładności decydującą rolę odgrywają komponenty kondycjonowania sygnału, w szczególności przedwzmacniacz przetwornika ADC. Niski poziom szumów jest krytycznym parametrem, ponieważ szum wewnętrzny jest trudny do zredukowania na późniejszym etapie projektowania i zostanie wzmocniony wraz z pożądanym sygnałem. Głowica AFE determinuje stosunek sygnału do szumu (SNR), który nieuchronnie ulegnie dalszej degradacji, gdy sygnał przejdzie przez kolejne bloki funkcjonalne.
Z tego powodu jako AFE często używa się zoptymalizowanego pod kątem szumów wzmacniacza operacyjnego. Dobrym wyborem jest ADA4627-1BRZ-R7, 30 V (z zasilaniem symetrycznym ±15 V). Jest to szybki, niskoszumowy i niskoprądowy wzmacniacz operacyjny ze stopniem wejściowym JFET. Charakteryzuje się małym napięciem offsetu tj. maksymalnie 200 μV i jego typowym dryftem temperaturowym 1 μV/°C. Prąd polaryzacji wejścia wynosi do 5 pA. Poziom szumów wynosi 6,1 nV/√Hz przy częstotliwości 1 kHz (rys. 2).
Izolacja zapewnia wiele korzyści
Po wzmocnieniu i zdigitalizowaniu sygnału często następnym krokiem jest izolacja galwaniczna między sygnałem a cyfrową sekcją systemu i powiązanym procesorem. Istnieją trzy główne powody takiego podejścia:
- Redukcja szumów i zakłóceń – izolacja galwaniczna pomaga wyeliminować niepożądane sygnały napięciowe względem masy, pętle uziemienia i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Ogranicza też przenikanie szumów z zewnętrznych źródeł, zapewniając czystsze i dokładniejsze pomiary.
- Eliminacja pętli masy, które mogą wprowadzać różnice poziomów napięć zniekształcających mierzony sygnał. Izolacja przerywa ścieżkę (ciągłość) masy, usuwając w ten sposób zakłócenia spowodowane zmianami jej potencjałów i poprawia dokładność pomiaru.
- Bezpieczeństwo – bariera izolacyjna zapewnia bezpieczeństwo elektryczne, zapobiegając przedostawaniu się przepięć, stanów nieustalonych do wrażliwych elementów pomiarowych. Chroni podłączone urządzenia, zapewniając niezawodną pracę. Ponadto izolacja eliminuje zagrożenie elektryczne dla użytkowników, w sytuacji uszkodzenia izolacji lub podczas awarii, gdy np. napięcie sieci energetycznej pojawi się na wejściu czujnika.
Inżynier-projektant ma do dyspozycji kilka technik izolacji sygnałów cyfrowych opartych na sprzężeniu magnetycznym, optycznym, pojemnościowym, a nawet w.cz. Firma Analog Devices oferuje całą rodzinę zaawansowanych rozwiązań tego typu, w tym pięciokanałowy izolator cyfrowy ADUM152N1BRZ-RL7 oparty na technologii iCoupler (rys. 3).
Izolatory te łączą w jednym układzie chip CMOS i wykonany technologią monolityczną transformatora z rdzeniem powietrznym. Aby zapewnić niezbędną wydajność dla potrzeb szybkiej komunikacji cyfrowej, maksymalne opóźnienie propagacji wynosi 13 tylko ns, a zniekształcenie szerokości impulsu podczas propagacji przez izolator jest mniejsze niż 4,5 ns przy 5 V. Co więcej, dopasowanie międzykanałowe opóźnienia propagacji jest bardzo precyzyjnie dobrane i wynosi maksymalnie 4,0 ns. W ofercie dostępna jest podobna dwukanałowa wersja izolatora, ADUM120N1BRZ-RL7, dzięki czemu liczba izolowanych kanałów może być łatwo dopasowana do szerokości magistrali cyfrowej.
Opisane izolatory są zoptymalizowane pod kątem zapewnienia dużej prędkości sygnałów cyfrowych z gwarantowaną szybkością transmisji danych 150 Mbits/s. Mają dużą odporność na przejściowe napięcia wspólne (CMTI) wynoszącą 100 kV/μs, a bariera izolacyjna wytrzymuje napięcie testowe 3 kVrms i spełniają wszystkie stosowne wymogi formalne.
W praktyce izolacja sygnału to tylko jeden z elementów podziału systemu na wydzielone sekcje. Poza sygnałem wszystkie szyny zasilające DC w układzie akwizycji muszą być również izolowane. Najczęściej odbywa się to przy użyciu separowanych przetwornic.
Jeśli główne źródło zasilania jest siecią prądu przemiennego, to zwykle napięcie to przechodzi przez transformator (liniowy lub impulsowy), a następnie jest prostowane i stabilizowane. Jeśli źródło zasilania jest prądem stałym, to tutaj także wymagana jest konwersja impulsowa i wykorzystanie transformatora jako elementu izolującego. Do tego celu używa się specjalizowanych konwerterów, jak LT3999 – niskoszumowa 1-amperowa przetwornica DC-DC działająca z częstotliwością kluczowania od 50 kHz do 1 MHz.
Kompletny system DAQ wymaga ponadto użycia kilku elementów filtrujących (indukcyjności), przetwornika ADC o wysokiej rozdzielczości i przełączników. Za ich pomocą eliminowane są szumy i minimalizowane zakłócenia w obwodach i układach pomocniczych.
Połączyć wszystko razem
Przykładem takiego łańcucha akwizycji sygnału z izolacją jest ADSKPMB10-EV-FMCZ. Jest to precyzyjna platforma pomiarowa, która realizuje izolowany jednokanałowy system DAQ o małych opóźnieniach (rys. 4). Rozwiązanie to zawiera programowalny wzmacniacz pomiarowy (PGIA) do kondycjonowania sygnału, co pozwala obsłużyć czujniki o różnych poziomach napięć wyjściowych.
Do celów ewaluacyjnych rozwiązanie to jest dostępne w postaci wielopłytkowej składającej się z głównej części ADSKPMB10-EV-FMCZ w formacie PMOD (rys. 5) wraz z płytką interfejsu EVAL-SDP-CH1Z (SDP). Pomiędzy tymi dwiema płytkami znajduje się płytka interposera PMOD-do-FMC realizująca izolację galwaniczną.
ADSKPMB10-EV-FMCZ zawiera układ PGIA zbudowany przy użyciu wzmacniacza operacyjnego ADA4627- 1. PGIA zapewnia wysoką impedancję wejściową niezbędną do obsługi różnych czujników. Moduł ma również na wyposażeniu sieć rezystorów precyzyjnych do ustawiania wzmocnienia, poczwórny multiplekser kanałowy i różnicowy sterownik driver przetwornika ADC dla ADAQ4003 (18-bitowy, 2 megapróbki na sekundę). Przetwornik został wykonany jako moduł μModule.
Jest to coś więcej niż tylko sam przetwornik o wysokiej rozdzielczości. W ADAQ4003 zastosowano wiele technik redukcji szumów, aby umożliwić zaawansowaną obróbkę sygnału. Między wyjściem sterownika ADC a wejściami ADC wewnątrz μModule jest umieszczony jednobiegunowy filtr dolnoprzepustowy (RC) po to, aby wyeliminować składowe wysokoczęstotliwościowe szumu i zmniejszyć "odrzuty" ładunku z wejścia wewnętrznego przetwornika ADC.
Ponadto, μModule zapewnia, że ścieżki analogowe i cyfrowe w platformie pomiarowej są oddzielone, aby uniknąć przesłuchów i zminimalizować emisję promieniowaną.
Płytka izolowanego interposera PMOD-FMC obejmuje kontroler DC/DC LT3999, pięciokanałowy i dwukanałowy izolator cyfrowy, stabilizator LDO o niskim poziomie szumów. Działa ona jako mostek i jest podłączana do płytki interfejsu SDP.
SDP realizuje przetwarzanie danych po akwizycji i odpowiada za komunikację. Zawiera 160-pinowe złącze FMC i zasilacz 12 VDC, z którego napięcie jest dalej stabilizowane i dostarczane do innych płytek. Za przetwarzanie danych odpowiada procesor Blackfin ze sprzętowym zabezpieczeniem dla danych i firmware z portem USB i układem FPGA Spartan-6.
Dowodem jest wydajność
Ocena wydajności systemu DAQ nie jest trywialna, ponieważ kluczowe znaczenie ma użyta aparatura pomiarowa, układ testowy i wybrane parametry oceny. Wiele parametrów dynamicznych jest powiązanych z wydajnością systemu akwizycji danych, ale największe znaczenie mają zakres dynamiki, stosunek sygnału do szumu (SNR) i całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD).
Zakres dynamiki to rozpiętość między poziomem szumów urządzenia a jego maksymalnym poziomem wyjściowym. Typowy zakres dynamiki dla omawianej konstrukcji wynosi 93 dB na najwyższym zakresie wzmocnienia i 100 dB przy najniższym wzmocnieniu. Jest to wartość imponująca (rys. 6). Użycie nadpróbkowania do poziomu nawet ×1024 dodatkowo poprawia dynamikę obniżając szumy, która osiąga odpowiednio 123 dB i 130 dB.
SNR to stosunek amplitudy sygnału rms do średniej wartości pierwiastka z sumy kwadratów wszystkich innych składowych widmowych, z wyłączeniem harmonicznych i DC. THD to z kolei stosunek wartości rms sygnału podstawowego do średniej wartości RSS jego harmonicznych.
SNR i THD dla tej platformy są imponujące, ponieważ łańcuch sygnałowy osiąga maksymalny SNR 98 dB (rys. 7 po lewej) i THD –118 dB (rys. 7 po prawej), w zależności od ustawionego wzmocnienia.
Podsumowanie
Zaprojektowanie precyzyjnego łańcucha akwizycji sygnału analogowego z izolacją, który charakteryzuje się dużą dokładnością, małym poziomem szumów i zakłóceń oraz zapewnia integralność danych, jest niełatwym przedsięwzięciem. Na szczęście cele można osiągnąć poprzez użycie zaawansowanych komponentów firmy Analog Devices, od wzmacniaczy operacyjnych po zaawansowane obwody izolacji.
DigiKey
www.digikey.pl
