Wie man einen isolierten ADC verwendet

Werfen Sie einen Blick auf Mixed-Signal-Systeme, die bei geringem Rauschen arbeiten, insbesondere solche, die für Instrumentierung und empfindliche Messungen verwendet werden. Sie scheinen in der Lage zu sein, schwache Signale sorgfältig aufzulösen, ohne einem übermäßigen Rauschen zu erliegen. Bei bestimmten Frequenzen und in bestimmten Spannungsbereichen kann es notwendig sein, einige der allgemein akzeptierten Regeln bezüglich einer Erdung in Mixed-Signal-Systemen zu brechen, um genaue Darstellungen eines Signals zu erlangen. ADCs sind die Hauptkomponenten in Mixed-Signal-Systemen, wo die digitale und analoge Welt aufeinandertreffen, und die besten Praktiken für die Verwendung dieser Komponenten schreiben die Verwendung eines einzigen Erdungsnetzes vor, um digitale und analoge Verkabelungen überall auf der PCB zu unterstützen. Aber was passiert, wenn wir eine Isolation im System benötigen, entweder zur Geräuschsteuerung oder zur Sicherheit des Benutzers? In diesem Fall können wir einen isolierten ADC verwenden, um galvanische Isolation durchzusetzen. Eine andere Option ist die Verwendung einer Komponente, die eine Kopplung zwischen galvanisch isolierten Bereichen in einem System bietet, die dann mit einem Standard-ADC interagiert. Beide Optionen bieten die Möglichkeit, Geräusche zu kontrollieren und gefährliche elektrische Schläge zu verhindern. In diesem Design-Leitfaden zeigen wir, wie man diese Optionen zur Bereitstellung von Isolation verwendet, beginnend mit isolierten ADC-Komponentenoptionen.

Was ist ein isolierter ADC?

Ein isolierter ADC umfasst zwei galvanisch isolierte Bereiche zwischen dem digitalen I/O-Abschnitt und der analogen Eingangsschnittstelle. Diese Komponenten werden nach einem einfachen Konzept gebaut: In einem System, das galvanische Isolation erfordert, werden zwei Seiten eines Systems über separate Erdungsbereiche gebaut. In einem isolierten ADC wird die galvanische Isolation zwischen der analogen und der digitalen Seite des Systems durchgesetzt. Auf diese Weise werden digitale Signale die analogen Signale auf der analogen Seite nicht stören, solange diese digitalen Signale auf die digitale Erdungsebene beschränkt sind. Einige Situationen, in denen diese Komponenten verwendet werden könnten, umfassen: - Hochspannungssysteme mit einem digitalen Abschnitt, bei denen eine Messung im System benötigt wird - Spezialinstrumentierung, die die Messung von sehr niedrigen SNR-Analogsignalen beinhaltet - Elektromechanische Systeme oder Schaltsysteme, bei denen schnelle Impulse Stromspitzen erzeugen, die Komponenten beschädigen könnten Je nachdem, wo das zu messende Signal auf einer PCB geroutet wird, könnte ein isolierter ADC sinnvoller zu verwenden sein als ein Optokoppler oder Transformator zur Isolation.

Blockdiagramm

Ein Beispielblockdiagramm für einen isolierten ADC ist unten gezeigt. In diesem Beispiel sind die beiden GND-Netze in der Komponente (AGND und DGND) durch eine Lücke voneinander isoliert, die in die Komponente eingebaut ist. Das bedeutet, dass auf der PCB AGND und DGND mit physisch getrennten Kupferstücken verbunden sind. Wenn ich „physisch getrennte Kupferstücke“ schreibe, beziehe ich mich auf verschiedene Abschnitte von Kupferflächen, die verschiedenen Netzen zugeordnet sind. Nur die Eingangskanäle an der analogen Schnittstelle (A_IN_1…A_IN_N) werden ihre Signalpegel auf das AGND-Netz bezogen haben. Der digitale I/O-Block wird eine gewisse galvanische Isolationsbewertung haben, die bis zu einer bestimmten maximalen Spannung und einer bestimmten maximalen Frequenz reicht.

Diese Trennung im Blockdiagramm muss auf der Leiterplatte umgesetzt werden. Der beste Weg, dies zu tun, ist die Platzierung von zwei separaten, angrenzenden Bereichen auf der Leiterplatte, um die galvanische Trennung zu implementieren, und nur eine Brücke zwischen ihnen mit dem isolierten ADC zu schaffen. Dies wird die erfolgreiche Implementierung der galvanischen Isolation gewährleisten, ohne das Problem zu schaffen, eine Mehrpolantenne zu erzeugen, indem man versucht, getrennte Masseebenen zu verflechten.

Auswahl eines isolierten ADC

Ein isolierter ADC hat einige wichtige Spezifikationen, die berücksichtigt werden müssen, um die Geräuschkontrolle und Sicherheit in Mischsignal-Systemen mit galvanischer Isolation zu gewährleisten.

• Kanalanzahl - Es wird mehrere analoge Eingangskanäle geben, die verwendet werden können, um eingehende Signale zu sampeln

• Isolationsspannung - In Hochspannungssystemen könnte das gesampelte Signal auf der analogen Seite entstehen, so dass die galvanische Isolation eine hohe Spannungsbewertung erreichen kann, die kV-Werte erreicht

• Ausgangsbus - Dies wird typischerweise ein SPI-Bus bei niedrigen Abtastraten sein, oder es könnte ein JESD204-Bus bei hohen Abtastraten sein (GHz erreichend)

• Interne vs. externe Referenz und Regelung - Einige isolierte ADCs haben interne DC/DC-Wandlung und Präzisionsreferenzierung

• Dynamikbereich - Dies ist wichtig beim Abtasten von Signalschwachstellen, und einige Signalschwachstellen könnten eine Verstärkung benötigen, um den dynamischen Bereich des ADCs zu füllen

• Auflösung - Dies muss gegen den Dynamikbereich und SNR abgewogen werden; für Signale mit niedrigem SNR bietet eine niedrige Auflösung eine höhere Rauschimmunität

Vermeidung von EMI und RF-Rauschen mit einem Sicherheitskondensator

Eines der großen Probleme bei Systemen mit geteilten Ebenen, wie der Leiterplatte, die mit einem isolierten ADC verwendet würde, ist die Tatsache, dass ein oder beide Massebereiche schweben. Mit anderen Worten, es kann einen Unterschied im gemessenen Massepotenzial zwischen den beiden Seiten des Systems geben. Dies ist ein nicht triviales Problem, das durch das Design isolierter Stromversorgungen eliminiert werden kann, und der Masseversatz könnte eine Funktion der Frequenz sein. Das Ergebnis ist, dass bei bestimmten Frequenzen der Potenzialunterschied zwischen diesen Massen oszillieren könnte, und dies würde radiierte EMI erzeugen.

Die einfachste Lösung hier ist die Verwendung eines Sicherheitskondensators, um die AGND- und DGND-Massebereiche zu verbinden. Ein Sicherheitskondensator (z.B. Keramik oder metallisiertes Papier) kann einen niederimpedanten Pfad für Ströme bieten, die durch einen Massepotenzialversatz erzeugt werden, sodass sie in einer Schleife mit niedriger Induktivität zur Systemstromversorgung zurückkehren, anstatt in den freien Raum zu strahlen. Die unten gezeigte Platzierung ist dieselbe Platzierung, die auch neben einem Transformator in einer isolierten Stromversorgung verwendet werden würde.

Wenn ein Sicherheitskondensator über die Masse verwendet wird, sollten drei Spezifikationen untersucht werden:

• Mäßig hohe Kapazität

• Niedriger Gleichstrom-Leckstrom

• Hohe Gleich-/Wechselspannungsgrenzen

Der Grund hierfür ist, den Leckstrom in einen Bereich zu minimieren, in dem ein Benutzer mit einem Gerät interagieren könnte und möglicherweise einen leichten Schock erhält. Die Kapazität muss nur die parasitäre Kapazität zwischen den galvanisch getrennten Bereichen und die Kapazität über die Isolationslücke im isolierten ADC überschreiten. Typische Sicherheitskondensatorwerte überschreiten nicht ~1 uF mit Spannungsbewertungen im Bereich von 100 Volt.

Beispiel isolierte ADCs

Texas Instruments AMC1333M10

Der AMC1333M10 von Texas Instruments bietet eine hohe Isolation mit einer Spitzen-Spannung von bis zu 8 kV. Diese Komponente hat eine eingebaute Uhr, die eine Abtastrate von bis zu 39 kSps (87 dB Dynamikbereich) für einen einzelnen Kanal mit Delta-Sigma-Modulation bietet. Die Ausgangsschnittstelle ist ein einfacher serieller Ausgang, der parallel mit einem Uhrenausgang für vereinfachte Timing in einem MCU geroutet wird. Diese Komponente ist eine ausgezeichnete Wahl in Systemen, die einer großen Spannungsexposition ausgesetzt sein könnten, aber keinen komplexen digitalen Unterbau benötigen, um Daten zu sampeln und zu synchronisieren.

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

Der MAX14001 und der damit verbundene MAX14002 von Maxim Integrated verwenden eine 10-Bit-SAR-Architektur mit einer nominalen Abtastrate von 10 kSps. Konfiguration, gefilterte Daten und ungefilterte Daten werden über eine SPI-Schnittstelle ein-/ausgegeben. Die galvanische Isolation in dieser Komponente ist bis zu 3,75 kV RMS Spannungen garantiert, daher ist diese Komponente auch für den Einsatz in einer Hochspannungsumgebung geeignet. Zwischen diesen beiden Komponenten kann nur der MAX14001 wiederholte Einschaltstromstöße begrenzen, um eine Überhitzung durch abnormale Eingangssignale zu verhindern, die andernfalls einen kontinuierlichen Strom von Einschaltstromstößen auslösen würden.

Alternativen zu isolierten ADCs

Isolierte ADCs sind sehr nützliche Komponenten, aber sie sind nicht die einzige Art von Komponente, die zur Durchsetzung der Isolation in einem gemischten Signal-System verwendet werden kann. Es gibt zwei andere Komponenten, die traditionell für die Isolation verwendet werden: Optokoppler und Transformatoren. Beide Komponenten können als Teil einer Isolationsstrategie verwendet werden, aber dies kann ohne die Notwendigkeit eines isolierten ADCs erfolgen. Stattdessen koppeln diese Komponenten das analoge Signal zwischen zwei isolierten Bereichen oder sie koppeln die digitalen Daten aus dem ADC.

Die untenstehende Tabelle fasst zusammen, wann verschiedene Arten von Kopplungsmechanismen bei analogen oder digitalen Signalen verwendet werden sollten. Kurz gesagt, sollte ein Transformator nicht verwendet werden, um digitale Daten zwischen galvanisch isolierten Bereichen zu koppeln. Der Grund dafür ist, dass der Transformator die digitalen Signale in Pulse umwandelt, da der Transformator nur elektromagnetische Energie koppelt, wenn das Eingangssignal wechselt. Daher, wenn Sie einen Kopplungsmechanismus mit digitalen Daten anstelle eines isolierten ADC verwenden müssen, wäre ein Optokoppler vorzuziehen.

Optokoppler

Ein Optokoppler-IC wird oft in isolierten Stromversorgungen verwendet, um eine Rückkopplungsleitung von der Ausgangsseite zur Eingangsseite zu führen, während eine galvanische Isolation zwischen beiden Seiten des Systems sichergestellt wird. Ein Optokoppler kann mit digitalen oder analogen Signalen verwendet werden, aber der beste Anwendungsfall ist wahrscheinlich, analoge Signale über eine Lücke in einen nicht isolierten ADC zu koppeln.

Ein Optokoppler könnte verwendet werden, um den digitalen Busausgang über die galvanisch isolierten Bereiche zu koppeln, anstatt der analogen Signale. Dies ist jedoch möglicherweise nicht die beste Option für die Signalübertragung, da dies die Flankensteilheit und das Timing verändern könnte, sodass ein geringes Risiko besteht, die Setup- und Haltezeiten auf der empfangenden Komponente zu verletzen. Daher könnte die beste Verwendung sein, einen Optokoppler nur mit den analogen Signalen zu verwenden, die abgetastet werden sollen.

Transformatoren

Ein Transformator eignet sich zum Überbrücken der analogen und digitalen Seiten eines galvanisch isolierten Mixed-Signal-Systems, solange die Sicherheitsrichtlinien für Kondensatoren befolgt werden. Dies würde verwendet, wenn ein analoges Signal beispielsweise in einer Hochspannungsumgebung abgetastet werden muss. Eine andere Option ist, die Spannung eines Signals niedriger Ebene zu erhöhen, das dann in einen nicht isolierten ADC eingespeist wird.

Der Grund, warum der Transformator nur mit einem analogen Signal verwendet wird, ist, dass er nur ein Signal zwischen den galvanisch isolierten Seiten koppelt, wenn ein Signal wechselt. Würde der Transformator auf der digitalen Seite verwendet, um den digitalen Ausgang über eine Isolationslücke zu koppeln, würde der Transformator die Daten verlieren, da er die digitalen Flankenraten in Pulse umwandelt. Daher kann er nur mit analogen Signalen verwendet werden.

Wichtige Komponenten für Mixed-Signal-Systeme

Mixed-Signal-Systeme, die eine Isolation implementieren und genaue Messungen von Signalen niedriger Ebene liefern müssen, erfordern viele andere Komponenten über isolierte ADCs hinaus. Diese Komponenten reichen von Prozessoren, Verstärkern, Filtern und vielem mehr. DACs sind ebenfalls nützlich in diesen Systemen, obwohl isolierte DACs weniger verbreitet sind als isolierte ADCs. Einige der anderen Komponenten, die Designer möglicherweise einbeziehen müssen:

• Rauscharme Verstärker für Empfangsschaltungen in RF-Systemen

• Operationsverstärker für analoge Schaltungen

• Prozessoren, die das System steuern und Daten verarbeiten

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