Jak używać izolowanego przetwornika ADC

Utworzono: listopad 16, 2022
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Przyjrzyjmy się systemom mieszanych sygnałów pracującym przy niskim poziomie szumów, zwłaszcza tym używanym do instrumentacji i wrażliwych pomiarów. Wydaje się, że są one w stanie dokładnie rozróżniać sygnały o niskim poziomie bez ulegania nadmiernym szumom. W pewnych częstotliwościach i w pewnych zakresach napięć może być konieczne złamanie niektórych powszechnie akceptowanych zasad dotyczących uziemienia w systemach mieszanych sygnałów, aby uzyskać dokładne reprezentacje sygnału.

ADC są głównymi komponentami w systemach mieszanych sygnałów, gdzie światy cyfrowe i analogowe się spotykają, a najlepsze praktyki dotyczące korzystania z tych komponentów nakazują używanie pojedynczej sieci uziemienia do obsługi trasowania cyfrowego i analogowego w dowolnym miejscu na PCB. Ale co się dzieje, gdy potrzebujemy izolacji w systemie, zarówno dla kontroli szumów, jak i dla bezpieczeństwa użytkownika?

W takim przypadku możemy użyć izolowanego ADC, aby wymusić izolację galwaniczną. Inną opcją jest użycie pewnego komponentu, który zapewnia sprzężenie między galwanicznie izolowanymi regionami w systemie, który następnie łączy się ze standardowym ADC. Obydwie opcje dają możliwość kontroli szumów i zapobiegania niebezpiecznemu wstrząsowi elektrycznemu. W tym przewodniku projektowym pokażemy, jak używać tych opcji do zapewnienia izolacji, zaczynając od opcji komponentów izolowanych ADC.

Co to jest izolowany ADC?

Izolowany ADC zawiera dwie galwanicznie izolowane regiony między sekcją cyfrową I/O a analogowym interfejsem wejściowym. Te komponenty są budowane, podążając za prostą koncepcją: w systemie wymagającym izolacji galwanicznej, dwie strony systemu będą zbudowane nad oddzielnymi regionami uziemienia. W izolowanym ADC izolacja galwaniczna jest wymuszana między stroną analogową a cyfrową systemu. W ten sposób sygnały cyfrowe nie będą zakłócać sygnałów analogowych po stronie analogowej, dopóki te sygnały cyfrowe są ograniczone do cyfrowej płaszczyzny uziemienia.

Niektóre sytuacje, w których mogą być używane te komponenty, to:

Systemy wysokiego napięcia z sekcją cyfrową, gdzie potrzebny jest jakiś pomiar w systemie
Specjalistyczna instrumentacja do pomiaru bardzo niskich sygnałów SNR analogowych
Systemy elektromechaniczne lub systemy przełączające, gdzie szybkie impulsy tworzą przepięcia, które mogą uszkodzić komponenty

W zależności od miejsca, gdzie sygnał do pomiaru jest kierowany na PCB, użycie izolowanego ADC może mieć większy sens niż użycie optoprzekaźnika czy transformatora do izolacji.

Schemat blokowy

Poniżej przedstawiono przykładowy schemat blokowy dla izolowanego ADC. W tym przykładzie dwie sieci GND w komponencie (AGND i DGND) są izolowane od siebie przez pewną przerwę wbudowaną w komponent. Oznacza to, że na PCB, AGND i DGND są połączone z fizycznie oddzielnymi kawałkami miedzi.

Kiedy piszę „fizycznie oddzielne kawałki miedzi”, mam na myśli różne sekcje wylewki miedzianej, które są przypisane do różnych sieci. Tylko kanały wejściowe na analogowym interfejsie (A_IN_1…A_IN_N) będą miały swoje poziomy sygnałów odniesione do sieci AGND. Blok cyfrowy I/O będzie miał pewną ocenę izolacji galwanicznej, która rozciąga się do pewnego maksymalnego napięcia i pewnej maksymalnej częstotliwości.

Ta separacja w schemacie blokowym musi zostać zaimplementowana na PCB. Najlepszym sposobem na to jest umieszczenie dwóch oddzielnych, przylegających do siebie regionów na PCB, aby zaimplementować izolację galwaniczną, i stworzenie mostka między nimi tylko za pomocą izolowanego ADC. Zapewni to skuteczną implementację izolacji galwanicznej, ale bez problemu tworzenia anteny wielobiegunowej przez próbę przeplatania oddzielonych płaszczyzn uziemienia.

Wybór izolowanego ADC

Izolowany ADC ma kilka ważnych specyfikacji, które muszą być rozważone, aby zapewnić kontrolę nad szumami i bezpieczeństwo w systemach mieszanych z izolacją galwaniczną.

Liczba kanałów - Będzie wiele wejściowych kanałów analogowych, które mogą być użyte do próbkowania nadchodzących sygnałów
Napięcie izolacji - W systemach wysokonapięciowych, próbkowany sygnał może pochodzić ze strony analogowej, więc izolacja galwaniczna będzie miała pewną wysoką wartość napięcia, osiągając wartości kV
Magistrala wyjściowa - Zazwyczaj będzie to magistrala SPI przy niskich szybkościach próbkowania, lub może to być magistrala JESD204 przy wysokich szybkościach próbkowania (osiągając GHz)
Wewnętrzne vs zewnętrzne odniesienie i regulacja - Niektóre izolowane ADC mają wewnętrzną konwersję DC/DC i precyzyjne odniesienie
Zakres dynamiki - Jest to ważne przy próbkowaniu sygnałów o niskim poziomie, a niektóre sygnały o niskim poziomie mogą wymagać wzmocnienia, aby wypełnić zakres dynamiki ADC
Rozdzielczość - Musi być zważona względem zakresu dynamiki i SNR; dla sygnałów o niskim SNR, niska rozdzielczość zapewni większą odporność na szumy

Zapobieganie EMI i szumom RF za pomocą kondensatora bezpieczeństwa

Jednym z dużych problemów z systemami o rozdzielonych płaszczyznach, takimi jak PCB, które byłoby używane z izolowanym ADC, jest fakt, że jedna lub obie masy są unoszące. Innymi słowy, może istnieć pewna różnica w potencjale masy mierzonej między dwoma stronami systemu. Jest to problem niebanalny do wyeliminowania przez projektowanie izolowanych zasilaczy, a przesunięcie masy może być funkcją częstotliwości. Skutkiem jest to, że przy pewnych częstotliwościach różnica potencjałów między tymi masami może oscylować, co tworzy promieniowane EMI.

Najprostszym rozwiązaniem tutaj jest użycie kondensatora bezpieczeństwa do połączenia regionów masy AGND i DGND. Kondensator bezpieczeństwa (np. ceramiczny lub metalizowany papier) może zapewnić ścieżkę o niskiej impedancji dla prądów tworzonych przez przesunięcie potencjału masy, dzięki czemu powrócą one do zasilania systemu w pętli o niskiej indukcyjności, zamiast promieniować w przestrzeń. Pokazane poniżej umieszczenie jest takie samo, jakie byłoby używane obok transformatora w izolowanym zasilaczu.

Jeśli kondensator bezpieczeństwa będzie używany między masami, należy zbadać trzy specyfikacje:

Umiarkowanie wysoka pojemność
Niski prąd upływu DC
Wysokie limity napięcia DC/AC

Powodem tego jest minimalizacja prądu upływu do obszaru, z którym użytkownik może wejść w interakcję i możliwie otrzymać lekkie porażenie. Pojemność musi tylko przekraczać pojemność pasożytniczą między izolowanymi galwanicznie obszarami oraz pojemność przez przerwę izolacyjną wewnątrz izolowanego ADC. Typowe wartości pojemności bezpieczeństwa nie przekraczają ~1 uF przy ocenach napięcia w zakresie setek woltów.

Przykładowe izolowane ADC

Texas Instruments AMC1333M10

AMC1333M10 od Texas Instruments zapewnia wysoką izolację z maksymalnym napięciem sięgającym do 8 kV. Ten komponent posiada wbudowany zegar zapewniający próbkowanie do 39 kSps (87 dB zakres dynamiki) dla pojedynczego kanału z modulacją delta-sigma. Interfejs wyjściowy to proste wyjście szeregowe skierowane równolegle z wyjściem zegara dla uproszczonego czasu w MCU. Ten komponent jest doskonałym wyborem w systemach, które mogą być narażone na duże ekspozycje napięciowe, ale które nie wymagają skomplikowanego cyfrowego podsystemu do próbkowania i synchronizacji danych.

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

MAX14001 i powiązany MAX14002 od Maxim Integrated wykorzystują architekturę SAR 10-bitową z nominalną szybkością próbkowania 10 kSps. Konfiguracja, dane filtrowane i niefiltrowane są wprowadzane/wyjściowane przez interfejs SPI. Izolacja galwaniczna w tym komponencie jest gwarantowana do napięć 3,75 kV RMS, więc ten komponent jest również odpowiedni do użytku w środowisku wysokonapięciowym. Spośród tych dwóch komponentów, tylko MAX14001 może ograniczać powtarzające się impulsy wzbudzenia, aby zapobiec przegrzewaniu się od nietypowych sygnałów wejściowych, które inaczej wywołałyby ciągły strumień impulsów wzbudzenia.

Alternatywy dla izolowanych ADC

Izolowane ADC są bardzo użytecznymi komponentami, ale nie są jedynym typem komponentów, które mogą być użyte do zapewnienia izolacji w systemie mieszanych sygnałów. Dwa inne komponenty, które tradycyjnie są używane do izolacji, to optoprzekaźniki i transformatory. Oba komponenty mogą być używane jako część strategii izolacji, ale może to być wykonane bez potrzeby używania izolowanego ADC. Zamiast tego, te komponenty są łącznikiem sygnału analogowego między dwoma izolowanymi regionami, lub są one łącznikiem danych cyfrowych wychodzących z ADC.

Poniższa tabela podsumowuje, kiedy należy używać różnych typów mechanizmów sprzęgających z sygnałami analogowymi lub cyfrowymi. Krótko mówiąc, transformatora nie należy używać do sprzęgania danych cyfrowych między galwanicznie izolowanymi obszarami. Powodem jest to, że transformator przekształca sygnały cyfrowe na impulsy, ponieważ sprzęga energię elektromagnetyczną tylko wtedy, gdy sygnał wejściowy się przełącza. Dlatego, jeśli musisz użyć mechanizmu sprzęgającego z danymi cyfrowymi zamiast izolowanego ADC, preferowany byłby optoprzekaźnik.

Optoprzekaźniki

Układ scalony optoprzekaźnika jest często używany w izolowanych zasilaczach do przekazywania linii sprzężenia zwrotnego ze strony wyjściowej na stronę wejściową, zapewniając przy tym galwaniczną izolację między obiema stronami systemu. Optoprzekaźnik może być używany z sygnałami cyfrowymi lub analogowymi, ale najlepszym przypadkiem użycia jest prawdopodobnie sprzęganie sygnałów analogowych przez przerwę do nieizolowanego ADC.

Optoprzekaźnik mógłby być używany do sprzęgania wyjścia cyfrowego magistrali przez galwanicznie izolowane obszary zamiast sygnałów analogowych. Jednakże, może to nie być najlepsza opcja dla sprzęgania sygnałów, ponieważ może to zmienić szybkość zbocza i czasowanie, więc istnieje niewielkie ryzyko naruszenia czasów ustawienia i trzymania na komponencie odbiorczym. Dlatego najlepszym zastosowaniem może być użycie optoprzekaźnika tylko z sygnałami analogowymi do próbkowania.

Transformatory

Transformator nadaje się do łączenia stron analogowych i cyfrowych w galwanicznie izolowanym systemie sygnałów mieszanych, o ile są przestrzegane wytyczne dotyczące kondensatorów bezpieczeństwa. Byłoby to używane, gdy sygnał analogowy musi być próbkowany, na przykład, w środowisku wysokiego napięcia. Inną opcją jest podniesienie napięcia sygnału o niskim poziomie, który jest następnie podawany do nieizolowanego ADC.

Powodem, dla którego transformator jest używany tylko z sygnałem analogowym, jest to, że sprzęga sygnał między galwanicznie izolowanymi stronami tylko wtedy, gdy sygnał się przełącza. Gdyby transformator był używany po stronie cyfrowej do sprzęgania wyjścia cyfrowego przez przerwę izolacji, transformator straciłby dane, ponieważ przekształca cyfrowe szybkości zbocza na impulsy. Dlatego może być używany tylko z sygnałami analogowymi.

Ważne komponenty dla systemów sygnałów mieszanych

Systemy sygnałów mieszanych, które implementują izolację i muszą zapewniać dokładne pomiary sygnałów o niskim poziomie, wymagają wielu innych komponentów poza izolowanymi ADC. Te komponenty obejmują procesory, wzmacniacze, filtry i wiele innych. DAC-y są również użyteczne w tych systemach, chociaż izolowane DAC-y są mniej powszechne niż izolowane ADC. Niektóre z innych komponentów, które projektanci mogą potrzebować uwzględnić:

Projektanci, którzy chcą znaleźć unikalne komponenty takie jak izolowane przetworniki ADC dla systemów sygnałów mieszanych, mogą zaimplementować strategię łańcucha dostaw na wypadek awarii z Octopart. Tylko Octopart oferuje zaawansowane funkcje wyszukiwania i filtracji, aby pomóc kupującym w znajdowaniu komponentów oraz dostarcza aktualne dane o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach części. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Zapoznaj się z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.