Как использовать изолированный АЦП

Создано: 16 Ноября, 2022
Обновлено: 1 Июля, 2024

Рассмотрим системы смешанных сигналов, работающие с низким уровнем шума, особенно те, которые используются для инструментальных измерений и чувствительных замеров. Кажется, что они способны аккуратно разрешать сигналы низкого уровня без подвержения избыточному шуму. На определенных частотах и в определенных диапазонах напряжений может потребоваться нарушение некоторых общепринятых правил заземления в системах смешанных сигналов для того, чтобы получить точные представления сигнала.

АЦП являются основными компонентами в системах смешанных сигналов, где встречаются цифровой и аналоговый миры, и лучшие практики использования этих компонентов предписывают использование единой сети заземления для поддержки цифровой и аналоговой трассировки в любом месте на печатной плате. Но что происходит, когда нам нужна изоляция в системе, будь то для контроля шума или для безопасности пользователя?

В этом случае мы можем использовать изолированный АЦП для обеспечения гальванической изоляции. Другой вариант - использовать некоторый компонент, который обеспечивает связь между гальванически изолированными областями в системе, который затем взаимодействует со стандартным АЦП. Оба варианта предоставляют возможность контролировать шум и предотвращать опасный электрический удар. В этом руководстве по проектированию мы покажем, как использовать эти варианты для обеспечения изоляции, начиная с вариантов компонентов изолированного АЦП.

Что такое изолированный АЦП?

Изолированный АЦП включает в себя две гальванически изолированные области между цифровым входом/выходом и аналоговым интерфейсом ввода. Эти компоненты создаются, следуя простой концепции: в системе, требующей гальванической изоляции, две стороны системы будут построены над отдельными областями заземления. В изолированном АЦП гальваническая изоляция обеспечивается между аналоговой и цифровой сторонами системы. Таким образом, цифровые сигналы не будут мешать аналоговым сигналам на аналоговой стороне, пока эти цифровые сигналы ограничены цифровой плоскостью заземления.

Некоторые ситуации, в которых могут использоваться эти компоненты, включают:

Системы высокого напряжения с цифровым разделом, где требуется некоторое измерение в системе
Специализированное инструментальное оборудование для измерения аналоговых сигналов с очень низким соотношением сигнал/шум
Электромеханические системы или коммутационные системы, где быстрые импульсы создают скачки мощности, которые могут повредить компоненты

В зависимости от того, куда направляется сигнал, который нужно измерить на печатной плате, использование изолированного АЦП может быть более целесообразным, чем использование оптопары или трансформатора для изоляции.

Блок-схема

Ниже показан пример блок-схемы для изолированного АЦП. В этом примере две сети GND в компоненте (AGND и DGND) изолированы друг от друга с помощью некоторого зазора, который встроен в компонент. Это означает, что на печатной плате AGND и DGND подключены к физически отдельным кускам меди.

Когда я пишу «физически отдельные куски меди», я имею в виду разные секции медного залива, которые присвоены разным сетям. Только входные каналы на аналоговом интерфейсе (A_IN_1…A_IN_N) будут иметь свои уровни сигналов, отнесенные к сети AGND. Цифровой блок ввода/вывода будет иметь некоторый рейтинг гальванической изоляции, который распространяется до некоторого максимального напряжения и некоторой максимальной частоты.

Это разделение в блок-схеме должно быть реализовано на печатной плате. Лучший способ сделать это - разместить на ПП две отдельные смежные области для реализации гальванической изоляции, и создать между ними мост только с помощью изолированного АЦП. Это обеспечит успешную реализацию гальванической изоляции без проблемы создания многополюсной антенны путем попытки чередования разделенных земляных плоскостей.

Выбор изолированного АЦП

У изолированного АЦП есть несколько важных характеристик, которые должны быть учтены для обеспечения контроля шума и безопасности в смешанных сигнальных системах с гальванической изоляцией.

Количество каналов - Будет несколько входных аналоговых каналов, которые можно использовать для выборки входящих сигналов
Напряжение изоляции - В системах с высоким напряжением измеряемый сигнал может поступать с аналоговой стороны, поэтому гальваническая изоляция будет иметь некоторый высокий напряженческий рейтинг, достигающий значений в кВ
Выходная шина - Обычно это будет шина SPI при низких скоростях выборки, или это может быть шина JESD204 при высоких скоростях выборки (достигающих ГГц)
Внутренняя или внешняя ссылка и регулирование - Некоторые изолированные АЦП имеют внутреннее преобразование постоянного тока и точное ссылаемость
Динамический диапазон - Это важно при выборке сигналов низкого уровня, и некоторые сигналы низкого уровня могут требовать усиления для заполнения динамического диапазона АЦП
Разрешение - Это должно быть сопоставлено с динамическим диапазоном и С/Ш; для сигналов с низким С/Ш низкое разрешение обеспечит более высокую помехоустойчивость

Предотвращение ЭМП и радиочастотных помех с помощью безопасного конденсатора

Одна из больших проблем с системами с разделенными плоскостями, такими как ПП, которая будет использоваться с изолированным АЦП, заключается в том, что одна или обе земли являются плавающими. Другими словами, между двумя сторонами системы может быть некоторая разница в потенциале земли. Это не тривиальная проблема для устранения путем разработки изолированных источников питания, и смещение земли может быть функцией частоты. В результате на определенных частотах разница потенциалов между этими землями может колебаться, и это создаст излучаемые ЭМП.

Простейшее решение здесь - использовать безопасный конденсатор для соединения областей земли AGND и DGND. Безопасный конденсатор (например, керамический или металлизированный бумажный) может обеспечить путь с низким сопротивлением для токов, создаваемых смещением потенциала земли, таким образом, они вернутся к системному источнику питания в петле с низкой индуктивностью, а не будут излучаться в свободное пространство. Размещение, показанное ниже, является тем же размещением, которое использовалось бы вместе с трансформатором в изолированном источнике питания.

Если будет использоваться безопасный конденсатор через землю, то следует рассмотреть три характеристики:

Умеренно высокая ёмкость
Низкий ток утечки постоянного тока
Высокие пределы напряжения постоянного/переменного тока

Причина этого заключается в минимизации тока утечки в область, с которой пользователь может взаимодействовать с устройством и, возможно, получить лёгкий удар током. Ёмкость должна превышать только паразитную ёмкость между гальванически изолированными областями и ёмкость через изоляционный зазор внутри изолированного АЦП. Типичные значения ёмкости безопасности не превышают ~1 мкФ при номиналах напряжения в диапазоне сотен вольт.

Примеры изолированных АЦП

Texas Instruments AMC1333M10

AMC1333M10 от Texas Instruments обеспечивает высокую изоляцию с пиковым напряжением до 8 кВ. Этот компонент имеет встроенные часы, обеспечивающие частоту дискретизации до 39 кГц (динамический диапазон 87 дБ) для одного канала с дельта-сигма модуляцией. Интерфейс вывода представляет собой простой последовательный вывод, параллельный выходу часов для упрощения синхронизации в МК. Этот компонент является отличным выбором в системах, которые могут подвергаться воздействию больших напряжений, но которым не требуется сложная цифровая подсистема для выборки и синхронизации данных.

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

MAX14001 и связанный MAX14002 от Maxim Integrated используют 10-битную архитектуру SAR с номинальной скоростью дискретизации 10 кГц. Конфигурация, фильтрованные данные и нефильтрованные данные вводятся/выводятся через интерфейс SPI. Гальваническая изоляция в этом компоненте гарантирована до напряжений 3,75 кВ RMS, поэтому этот компонент также подходит для использования в высоковольтной среде. Между этими двумя компонентами только MAX14001 может ограничивать повторяющиеся импульсы включения для предотвращения перегрева от аномальных входных сигналов, которые иначе вызвали бы непрерывный поток импульсов включения.

Альтернативы изолированным АЦП

Изолированные АЦП являются очень полезными компонентами, но это не единственный тип компонентов, которые можно использовать для обеспечения изоляции в смешанных сигнальных системах. Есть два других компонента, которые традиционно используются для изоляции: оптопары и трансформаторы. Оба компонента могут использоваться в качестве части стратегии изоляции, но это можно сделать без необходимости использования изолированного АЦП. Вместо этого, эти компоненты связывают аналоговый сигнал между двумя изолированными областями, или они связывают цифровые данные из АЦП.

В таблице ниже приведены рекомендации о том, когда использовать различные типы механизмов связи с аналоговыми или цифровыми сигналами. Коротко говоря, трансформатор не следует использовать для передачи цифровых данных между гальванически изолированными областями. Причина этого в том, что трансформатор преобразует цифровые сигналы в импульсы, поскольку трансформатор связывает электромагнитную энергию только тогда, когда входной сигнал переключается. Поэтому, если вам необходимо использовать механизм связи с цифровыми данными вместо изолированного АЦП, предпочтительнее будет использовать оптопару.

Оптопары

Интегральная схема оптопары часто используется в изолированных источниках питания для передачи обратной связи с выходной стороны на входную, обеспечивая при этом гальваническую изоляцию между обеими сторонами системы. Оптопару можно использовать с цифровыми или аналоговыми сигналами, но, возможно, лучший случай использования - передача аналоговых сигналов через промежуток в неизолированный АЦП.

Оптопару можно использовать для передачи цифрового выхода шины через гальванически изолированные области вместо аналоговых сигналов. Однако это может быть не лучшим вариантом для передачи сигналов, поскольку это может изменить скорость фронта и время, таким образом, существует небольшой риск нарушения времен установки и удержания на принимающем компоненте. Поэтому лучшее использование может заключаться в использовании оптопары только с аналоговыми сигналами для выборки.

Трансформаторы

Трансформатор подходит для соединения аналоговой и цифровой сторон гальванически изолированной смешанно-сигнальной системы, при условии соблюдения рекомендаций по безопасности конденсаторов. Это может быть использовано, когда необходимо выбрать аналоговый сигнал, например, в высоковольтной среде. Другой вариант - повышение напряжения низкоуровневого сигнала, который затем подается на неизолированный АЦП.

Причина, по которой трансформатор используется только с аналоговым сигналом, заключается в том, что он связывает сигнал между гальванически изолированными сторонами только при переключении сигнала. Если бы трансформатор использовался на цифровой стороне для передачи цифрового выхода через изоляционный зазор, трансформатор потерял бы данные, поскольку он преобразует цифровые скорости фронта в импульсы. Поэтому его можно использовать только с аналоговыми сигналами.

Важные компоненты для смешанно-сигнальных систем

Смешанно-сигнальные системы, реализующие изоляцию и требующие точных измерений низкоуровневых сигналов, нуждаются во многих других компонентах помимо изолированных АЦП. Эти компоненты варьируются от процессоров, усилителей, фильтров и многого другого. ЦАП также полезны в этих системах, хотя изолированные ЦАП встречаются реже, чем изолированные АЦП. Некоторые другие компоненты, которые могут потребоваться конструкторам, включают:

Дизайнеры, желающие найти уникальные компоненты, такие как изолированные АЦП для систем смешанных сигналов, могут реализовать стратегию поставок на случай непредвиденных обстоятельств с помощью Octopart. Только Octopart предоставляет расширенные функции поиска и фильтрации, чтобы помочь покупателям находить компоненты и получать актуальные данные о ценах дистрибьюторов, наличии на складе и спецификациях деталей. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые вам компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.