Cách Sử Dụng ADC Cô Lập

Created: Tháng Mười Một 16, 2022
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Hãy xem xét các hệ thống tín hiệu hỗn hợp hoạt động ở mức nhiễu thấp, đặc biệt là những hệ thống được sử dụng cho đo lường và các phép đo nhạy cảm. Chúng có vẻ như có thể giải quyết các tín hiệu mức thấp một cách cẩn thận mà không bị ảnh hưởng bởi nhiễu quá mức. Ở một số tần số và trong một số phạm vi điện áp nhất định, có thể cần phải phá vỡ một số quy tắc được chấp nhận rộng rãi xung quanh việc nối đất trong các hệ thống tín hiệu hỗn hợp để có thể thu được biểu diễn chính xác của một tín hiệu. Các ADC là thành phần chính trong các hệ thống tín hiệu hỗn hợp nơi thế giới số và thế giới tương tự gặp nhau, và các phương pháp hay nhất cho việc sử dụng các thành phần này đề xuất việc sử dụng một mạng nối đất duy nhất để hỗ trợ định tuyến số và tương tự ở bất cứ đâu trên PCB. Nhưng điều gì xảy ra khi chúng ta cần có sự cách ly trong hệ thống, hoặc là để kiểm soát nhiễu hoặc vì an toàn người dùng? Trong trường hợp này, chúng ta có thể sử dụng một ADC cách ly để thực thi cách ly galvanic. Một lựa chọn khác là sử dụng một số thành phần cung cấp sự kết nối giữa các khu vực cách ly galvanic trong một hệ thống, sau đó giao tiếp với một ADC tiêu chuẩn. Cả hai lựa chọn đều cung cấp cơ hội để kiểm soát nhiễu và ngăn chặn sốc điện nguy hiểm. Trong hướng dẫn thiết kế này, chúng tôi sẽ chỉ ra cách sử dụng các lựa chọn này để cung cấp cách ly, bắt đầu với các lựa chọn thành phần ADC cách ly.

ADC Cách Ly là gì?

Một ADC cách ly bao gồm hai khu vực cách ly galvanic giữa phần giao tiếp số I/O và giao diện tương tự đầu vào. Các thành phần này được xây dựng theo một khái niệm đơn giản: trong một hệ thống yêu cầu cách ly galvanic, hai bên của hệ thống sẽ được xây dựng trên các khu vực nối đất riêng biệt. Trong một ADC cách ly, cách ly galvanic được thực thi giữa phía tương tự và phía số của hệ thống. Như vậy, các tín hiệu số sẽ không can thiệp vào các tín hiệu tương tự ở phía tương tự miễn là những tín hiệu số đó được giới hạn trong mặt phẳng nối đất số.

Một số tình huống mà các thành phần này có thể được sử dụng bao gồm:

Hệ thống điện áp cao với một phần số, nơi cần một số phép đo trong hệ thống
Thiết bị đo chuyên dụng liên quan đến việc đo các tín hiệu tương tự SNR rất thấp
Hệ thống điện cơ hoặc hệ thống chuyển mạch nơi các xung nhanh tạo ra các đợt tăng điện áp có thể làm hỏng các thành phần

Tùy thuộc vào nơi tín hiệu cần đo được định tuyến trong một PCB, một ADC cách ly có thể có ý nghĩa hơn là sử dụng một optocoupler hoặc biến áp để cách ly.

Sơ đồ Khối

Một ví dụ về sơ đồ khối cho một ADC cách ly được hiển thị dưới đây. Trong ví dụ này, hai mạng nối đất trong thành phần (AGND và DGND) được cách ly với nhau bởi một khoảng trống được xây dựng vào trong thành phần. Điều này có nghĩa là trên PCB, AGND và DGND được kết nối với các mảnh đồng vật lý tách biệt.

Khi tôi viết “các mảnh đồng vật lý tách biệt,” tôi đang đề cập đến các phần đổ đồng khác nhau được gán cho các mạng khác nhau. Chỉ các kênh đầu vào trên giao diện tương tự (A_IN_1…A_IN_N) sẽ có mức tín hiệu của chúng tham chiếu đến mạng AGND. Khối giao tiếp số I/O sẽ có một đánh giá cách ly galvanic mở rộng đến một điện áp tối đa và một tần số tối đa nhất định.

Sự tách biệt này trong sơ đồ khối phải được thực hiện trên PCB. Cách tốt nhất để làm điều này là đặt hai khu vực liền kề riêng biệt trên PCB để thực hiện cách ly galvanic, và chỉ tạo một cầu nối giữa chúng với ADC cách ly. Điều này sẽ đảm bảo việc thực hiện thành công cách ly galvanic mà không gặp phải vấn đề tạo ra một ăng-ten đa cực bằng cách cố gắng xen kẽ các mặt đất tách biệt.

Chọn một ADC Cách Ly

Một ADC cách ly có một số thông số quan trọng cần được xem xét để đảm bảo kiểm soát nhiễu và an toàn trong các hệ thống tín hiệu hỗn hợp với cách ly galvanic.

Số lượng kênh - Sẽ có nhiều kênh đầu vào tương tự có thể được sử dụng để lấy mẫu các tín hiệu đến
Điện áp cách ly - Trong các hệ thống điện áp cao, tín hiệu được lấy mẫu có thể xuất phát từ phía tương tự, vì vậy cách ly galvanic sẽ có một số điện áp cao đạt giá trị kV
Bus đầu ra - Thông thường sẽ là một bus SPI ở tốc độ lấy mẫu thấp, hoặc có thể là một bus JESD204 ở tốc độ lấy mẫu cao (đạt GHz)
Tham chiếu và điều chỉnh nội bộ so với bên ngoài - Một số ADC cách ly có chuyển đổi DC/DC nội bộ và tham chiếu chính xác
Khoảng động - Điều này quan trọng khi lấy mẫu các tín hiệu mức thấp, và một số tín hiệu mức thấp có thể yêu cầu khuếch đại để lấp đầy khoảng động của ADC
Độ phân giải - Điều này phải được cân nhắc so với khoảng động và SNR; đối với các tín hiệu SNR thấp, độ phân giải thấp sẽ cung cấp khả năng miễn dịch nhiễu cao hơn

Ngăn chặn EMI và Nhiễu RF Bằng Tụ An Toàn

Một trong những vấn đề lớn với các hệ thống mặt phẳng tách biệt, như PCB sẽ được sử dụng với một ADC cách ly, là việc một hoặc cả hai mặt đất đều nổi. Nói cách khác, có thể có một số sự khác biệt về tiềm năng mặt đất được đo giữa hai bên của hệ thống. Đây là một vấn đề không đơn giản để loại bỏ bằng cách thiết kế nguồn cung cấp điện cách ly, và sự chênh lệch mặt đất có thể là một chức năng của tần số. Kết quả là, ở một số tần số nhất định, sự chênh lệch tiềm năng giữa các mặt đất này có thể dao động, và điều này sẽ tạo ra EMI phát xạ.

Giải pháp đơn giản nhất ở đây là sử dụng một tụ an toàn để kết nối các khu vực mặt đất AGND và DGND. Một tụ an toàn (ví dụ, ceramic hoặc giấy kim loại) có thể cung cấp một đường dẫn trở kháng thấp cho các dòng điện được tạo ra bởi sự chênh lệch tiềm năng mặt đất, do đó chúng sẽ trở về nguồn cung cấp điện của hệ thống trong một vòng lặp cảm ứng thấp hơn là phát xạ vào không gian tự do. Vị trí đặt tụ được hiển thị bên dưới là cùng một vị trí sẽ được sử dụng cùng với một biến áp trong nguồn cung cấp điện cách ly.

Nếu một tụ an toàn sẽ được sử dụng trên mặt đất, thì ba thông số cần được xem xét:

Dung lượng tụ điện khá cao
Dòng rò DC thấp
Giới hạn điện áp DC/AC cao

Lý do cho điều này là để giảm thiểu dòng rò vào khu vực mà người dùng có thể tương tác với thiết bị và có thể nhận một cú giật nhẹ. Dung lượng tụ chỉ cần vượt qua dung lượng tụ nhiễu giữa các khu vực cách ly galvanic và dung lượng tụ qua khoảng cách cách ly bên trong ADC cách ly. Các giá trị tụ an toàn thông thường không vượt quá ~1 uF với các mức đánh giá điện áp trong phạm vi 100’s Volts.

Ví dụ về ADC cách ly

Texas Instruments AMC1333M10

AMC1333M10 từ Texas Instruments cung cấp cách ly cao với điện áp đỉnh lên đến 8 kV. Thành phần này có đồng hồ tích hợp cung cấp tốc độ lấy mẫu lên đến 39 kSps (87 dB phạm vi động) cho một kênh với điều chế delta-sigma. Giao diện đầu ra là một đầu ra nối tiếp đơn giản được định tuyến song song với đầu ra đồng hồ để đơn giản hóa việc đồng bộ hóa thời gian trong một MCU. Thành phần này là một lựa chọn xuất sắc trong các hệ thống có thể gặp phải nguy cơ tiếp xúc với điện áp lớn nhưng không yêu cầu một hệ thống kỹ thuật số phức tạp để lấy mẫu và đồng bộ hóa dữ liệu.

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

MAX14001 và MAX14002 liên quan từ Maxim Integrated sử dụng kiến trúc SAR 10-bit với tốc độ lấy mẫu danh nghĩa là 10 kSps. Cấu hình, dữ liệu đã lọc và dữ liệu chưa lọc được nhập/xuất qua giao diện SPI. Cách ly galvanic trong thành phần này được đảm bảo lên đến điện áp 3.75 kV RMS, vì vậy thành phần này cũng phù hợp để sử dụng trong môi trường điện áp cao. Giữa hai thành phần này, chỉ có MAX14001 có thể giới hạn các xung đột nhập liên tục để ngăn chặn quá nhiệt từ các tín hiệu đầu vào bất thường có thể kích hoạt một dòng xung đột nhập liên tục.

Các lựa chọn thay thế cho ADC cách ly

ADC cách ly là các thành phần rất hữu ích, nhưng chúng không phải là loại thành phần duy nhất có thể được sử dụng để thực thi cách ly trong một hệ thống tín hiệu hỗn hợp. Có hai thành phần khác thường được sử dụng cho cách ly: optocouplers và biến áp. Cả hai thành phần này có thể được sử dụng như một phần của chiến lược cách ly, nhưng điều này có thể được thực hiện mà không cần đến ADC cách ly. Thay vào đó, các thành phần này đang kết nối tín hiệu analog giữa hai khu vực cách ly, hoặc chúng đang kết nối dữ liệu số ra từ ADC.

Bảng dưới đây tóm tắt khi nào nên sử dụng các loại cơ chế ghép nối khác nhau với tín hiệu analog hoặc số. Nói ngắn gọn, một biến áp không nên được sử dụng để ghép nối dữ liệu số giữa các khu vực cách ly galvanic. Lý do là biến áp chuyển đổi tín hiệu số thành xung vì biến áp chỉ ghép nối năng lượng điện từ khi tín hiệu đầu vào đang chuyển đổi. Do đó, nếu bạn cần sử dụng một cơ chế ghép nối với dữ liệu số thay vì một ADC cách ly, một optocoupler sẽ được ưu tiên hơn.

Optocouplers

Một IC optocoupler thường được sử dụng trong nguồn cung cấp cách ly để định tuyến một đường dẫn phản hồi từ phía đầu ra sang phía đầu vào trong khi đảm bảo cách ly galvanic giữa cả hai phía của hệ thống. Một optocoupler có thể được sử dụng với tín hiệu số hoặc analog, nhưng có lẽ trường hợp sử dụng tốt nhất là để ghép nối tín hiệu analog qua một khoảng trống vào một ADC không cách ly.

Một optocoupler có thể được sử dụng để ghép nối đầu ra bus số qua các khu vực cách ly galvanic thay vì tín hiệu analog. Tuy nhiên, đây có thể không phải là lựa chọn tốt nhất để ghép nối tín hiệu vì nó có thể thay đổi tốc độ cạnh và thời gian, do đó có một rủi ro nhỏ vi phạm thời gian thiết lập và giữ trên linh kiện nhận. Do đó, cách sử dụng tốt nhất có thể là chỉ sử dụng optocoupler với các tín hiệu analog cần được lấy mẫu.

Biến áp

Một biến áp phù hợp để nối cầu hai phía analog và số của một hệ thống tín hiệu hỗn hợp cách ly galvanic miễn là tuân theo các hướng dẫn về tụ an toàn. Điều này sẽ được sử dụng khi một tín hiệu analog cần được lấy mẫu trong, ví dụ, một môi trường điện áp cao. Một lựa chọn khác là tăng điện áp của một tín hiệu mức thấp sau đó được đưa vào một ADC không cách ly.

Lý do biến áp chỉ được sử dụng với tín hiệu analog là vì nó chỉ ghép nối tín hiệu giữa các phía cách ly galvanic khi có tín hiệu chuyển đổi. Nếu biến áp được sử dụng ở phía số để ghép nối đầu ra số qua một khoảng cách ly, biến áp sẽ mất dữ liệu vì nó chuyển đổi tốc độ cạnh số thành xung. Do đó, nó chỉ có thể được sử dụng với tín hiệu analog.

Các Linh Kiện Quan Trọng Cho Hệ Thống Tín Hiệu Hỗn Hợp

Các hệ thống tín hiệu hỗn hợp thực hiện cách ly và cần cung cấp các phép đo tín hiệu mức thấp chính xác yêu cầu nhiều linh kiện khác ngoài ADC cách ly. Các linh kiện này bao gồm các bộ xử lý, bộ khuếch đại, bộ lọc, và nhiều hơn nữa. DAC cũng hữu ích trong các hệ thống này, mặc dù DAC cách ly ít phổ biến hơn ADC cách ly. Một số linh kiện khác mà các nhà thiết kế có thể cần bao gồm:

Các nhà thiết kế muốn tìm các linh kiện độc đáo như ADC cô lập cho hệ thống tín hiệu hỗn hợp có thể áp dụng chiến lược chuỗi cung ứng dự phòng với Octopart. Chỉ có Octopart cung cấp các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến để giúp người mua tìm kiếm linh kiện và dữ liệu giá cập nhật từ nhà phân phối, tồn kho linh kiện, và thông số kỹ thuật của linh kiện. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.