בחרו את הרכיבים הנכונים כדי להשיג רזולוציית מדידה של 7.5 ספרות

מתכנני מכשירים ניצבים בפני אתגר להשיג רזולוציה של 7.5 ספרות במערכות איסוף נתונים עם ביצועים עיליים, כולל מולטימטרים דיגיטליים (DMM), מאזני משקל ורשמים סייסמיים. בעוד שממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) רבי-שיפועים משמשים עבור מכשירים עם רזולוציות של עד 6.5 ספרות, תכנים ברזולוציה גבוהה יותר הופכים לקשים יותר עקב מספר מגבלות מפרטי רכיבים ואתגרי מימוש.

מאמר זה בוחן כיצד מגבלות מפרטי רכיבים אנלוגיים מדויקים משפיעות על הרזולוציה הניתנת להשגה של המכשיר. לאחר מכן המאמר מראה כיצד ניתן להשיג רזולוציה של 7.5 ספרות על ידי בחירה קפדנית של ADCs‏ מסוג Successive Approximation Register‏ (SAR‏), ייחוסי מתח מדויקים, רשתות נגדים תואמות ומגברים עם רעש נמוך (LNA) ואפס-סחיפה של Analog Devices.

סקירה כללית של קצה-קדמי דיגיטייזר

מכשירים דיגיטליים מדויקים, כגון DMMs, משתמשים בקצה-קדמי הממיר מתחים אנלוגיים לערכים דיגיטליים. בליבת הקצה-הקדמי נמצא ה-ADC (איור 1). לרוב ממירי ה-ADC יש תחום מתחי כניסה קבוע, ולכן יש להגביר או להנחית את אותות הכניסה כדי להתאים אותם. זה דורש מגברים ומנחתים התנגדותיים. אם משתמשים ב-SAR ADC‏, נדרש גם מקור ייחוס מתח מדויק. יש לבחור את כל הרכיבים הללו תוך שימת דגש על רעש נמוך, סחיפת DC‏ נמוכה והגבר יציב כדי למקסם את דיוק המערכת הכולל.

איור 1: מוצגת דיאגרמת בלוקים של קצה-קדמי דיגיטלי עבור מכשיר עם דיוק גבוה, שליבתו היא ADC. (מקור התמונה: ADI)

בחירת ה-ADC הנכון

הצעד הראשון בבחירת ADC הוא קביעת רזולוציית המתח הנדרשת. עם מכשיר כגון DMM, זה בדרך כלל מצוין בספרות. ל-DMM שולחני טיפוסי תהיה רזולוציה של 6.5 ספרות. משמעות הדבר היא שיש שש ספרות עשרוניות (0 עד 9) ועוד חצי ספרה עם ערכים של 0 או 1. תחום הקריאה ללא-שינוי משתרע בין 1,999,999+ ל-1,999,999- ספירות; רזולוציה כוללת המכונה בדרך כלל 4,000,000 ספירות.

הספירה עבור התקן בינארי היא פשוט שתיים בחזקת מספר הביטים. ניתן לשרטט את מספר הספרות ומספר הביטים זה מול זה (איור 2), אך הם אינם מסתדרים ככפולות שלמות זה של זה.

איור 2: מוצג גרף של מספר הספרות כפונקציה של מספר הביטים המחושבים הן עבור מספר שלם של ביטים והן עבור מספר הספרות המוצגות. (מקור התמונה: ארט פיני)

האלמנט המשותף בחישובים אלה הוא הספירה, או מספר, הערכים הבדידים שהמכשיר מייצג. מספר הספרות עבור ספירה נתונה הוא פשוט _10‏log‏ (ספירה). מספר הביטים האקוויוולנטיי של ספירה נתונה הוא (2‏)_10‏log‏/(ספירה)_10‏log‏ או (2‏)_10‏log‏/ספרות. לפיכך, לספירה של 4,000,000 יש מספר שווה ערך של 21.932 ביטים.

מילה על רזולוציה ודיוק

גם מספר הספרות וגם מספר הביטים מתייחסים לרזולוציית המתח של המכשיר. DMM של 6.5 ספרות בתחום של 10 וולט יכול למדוד מתחים מ-V‏ 10‏- עד V‏ 10‏+ עם ספירה של 4,000,000. משמעות הדבר היא שכל צעד הוא µV‏ 5‏. זוהי הרזולוציה של המכשיר, לא דיוק הקריאה. דיוק הוא מדד של כמה קרוב הערך הנמדד לערך האמיתי. גורמים רבים משפיעים על דיוק המדידה, כולל רעש, שגיאת אופסט, שגיאת הגבר ואי-לינאריות. כל מקורות אי-הוודאות הללו נובעים ברכיב הקצה-הקדמי של המכשיר.

ל-DMM טיפוסי של 7.5 ספרות בתחום של 10 וולט עשוי להיות דיוק של 8 חלקים למיליון (ppm) של הערך הנמדד למשך 24 שעות, בתוספת אי-ודאות של ppm‏ 2‏ עבור התחום הנבחר (8+2). הדיוק לטווח ארוך המדורג על פני שנה אחת יכול להיות ppm‏ (2+16)±. ליניאריות ה-ADC צריכה להיות בתחום של ppm‏ ‏1.5‏±, ושגיאת הטמפרטורה חייבת להיות נמוכה עד כדי ppm‏ ‏1‏± 5‏ לכל מעלה צלזיוס (ppm/°C).

השגת רמת דיוק זו דורשת הבנה של מקורות השגיאה לטווח קצר וארוך של הרכיבים הנדרשים.

ממירי ADC עבור קצה-קדמי דיגיטלי

איור 1 מציג קצה-קדמי דיגיטלי טיפוסי. הוא משתמש ב-SAR ADC‏ של 24 ביטים המציע רזולוציה גבוהה ומהירות בינונית. ממירי SAR ADC‏ מיישמים את אות הכניסה למשוון. הרגל השנייה של המשוון מקבלת מתח ניחוש מממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC) הנדחף על ידי ה-SAR. לרגיסטר יש מספר דרגות כמספר הביטים של ה-ADC. זה מתחיל על ידי יצירת מתח ניחוש במחצית תחום המתח של ה-ADC. המשוון מציין שהכניסה גבוהה או נמוכה ממתח הניחוש מבוסס-הייחוס. אם ערך הניחוש קטן מהכניסה, אז נרשם "1" בביט הרגיסטר; אחרת נרשם "0".

הרגיסטר מתקדם דרך המצבים שלו ברצף, ומוריד את מתח הניחוש בצעדים בינאריים. כאשר מתח הניחוש קרוב ככל האפשר לאות הכניסה, התהליך נעצר, והרגיסטר מכיל את הקוד הדיגיטלי השווה למתח הכניסה. לאחר מכן, ה-ADC מוציא אות השלמת המרה כדי לקרוא את הקוד הבינארי.

שימו לב כי ה-SAR ADC‏ דורש ייחוס מתח מדויק ויציב כדי לדחוף את ה-DAC שלו. עבור מכשיר רב-תחומים נדרש גם אכשור אותות כדי להבטיח שכניסת ה-ADC קרובה ככל האפשר לתחום-המלא של ה-ADC מבלי לחרוג ממנו.

ה-AD4630-24BBCZ-RL‏ של Analog Devices הוא בחירה טובה עבור קצה-קדמי דיגיטלי בן 7.5 ספרות. ממיר SAR ADC‏ עם שני ערוצים זה של 24 ביטים פועל בקצב של 2 מגה-דגימות לשנייה (MSPS) ותומך בפעולה קצה-יחיד (Single-Ended‏) או דיפרנציאלית. ממיר ADC זה משתמש במתח ייחוס של 5 וולט עם ליניאריות טיפוסית של ppm‏ 0.1‏ (ppm‏ 0.9 מקס'). הוא כולל מסנן מיצוע-בלוקים עם יחס דסימציה (Decimation‏) ניתן-לתכנות היכול להפחית משמעותית את הרעש ולהרחיב את התחום הדינמי עד 153 דציבלים (dB) בקצבי יציאה נמוכים. באמצעות מיצוע בלוקים, הוא משיג רעש כניסה של rms‏ nV‏ 98‏ בקצב נתוני יציאה של 60 הרץ (Hz), המניב רזולוציה אפקטיבית מוגבלת-רעש של 7.7 ספרות כאשר מתייחסים לכניסת תחום-מלא.

ייחוס המתח

מאחר שממיר ה-ADC SAR מבסס את היציאה שלו על השוואות מתח הכניסה עם רמות מתח הנגזרות מייחוס המתח, הוא תלוי במידה רבה בדיוק, ביציבות וברמת הרעש של אותו ייחוס. כדי לתמוך ביציבות, טכנולוגיית ייחוס זנר (Zener‏) שקוע משיגה מתח פריצה יציב מאוד על ידי יצירת ההתקן עמוק בתוך מצע הסיליקון. גישה זו מבודדת אותו מזיהום פני השטח, מפחיתה השפעות תרמיות והופכת אותו לפחות רגיש ללחץ ולחות. ניתן להשיג יציבות מתח ייחוס גדולה יותר על ידי הכללת מחמם פנימי, ובכך למזער עוד יותר את ההשפעה של שינויי טמפרטורת הסביבה.

ייחוס המתח המשמש באיור 1 הוא ADR1001AEZ‏ (איור 3). זהו התקן זנר שקוע מבוקר-תנור עם דיוק גבוה, המשלב את בקרת המחמם, מקור הייחוס, מגבר חוצץ יציאה וכל אכשור האותות הנלווה בתוך מארז אחד, המפשט את תהליך התכנון ומפחית את חתימת-שטח ההרכבה.

איור 3: דיאגרמת בלוקים פונקציונליים של ה-ADR1001AEZ מראה את בקרת המחמם (משמאל), מקור הייחוס (במרכז) ומגבר חוצץ יציאה (מימין). (מקור התמונה: ADI)

מתח היציאה הנומינלי של ה-ADR1001AEZ הוא 6.6 וולט, מכוון-בדיוק ל-%‏0.25‏± V‏ 5‏ עם זרם יציאה נומינלי של mA‏ 10‏. המחמם המובנה שלו שומר על מקדם טמפרטורה של פחות מ-ppm/°C‏ ‏0.2‏. רעש היציאה של V‏ 5‏ (0.1 עד 10 הרץ) הוא ppm‏ 0.13‏ שיא-לשיא (p-p), המחושב ל-P-P‏ mV‏ 0.65‏.

מגברים עבור רזולוציה של 7.5 ספרות

מגבר הכניסה לקצה-הקדמי הדיגיטלי, הפועל עם רשת הנגדים המתואמים, משנה את אות הכניסה כך שיתאים למתח הכניסה של מפרט ה-ADC. מגבר זה, שתוכנן לספק הגברה או הנחתה לפי הצורך, חייב להיות בעל סחיפה ורעש מתח-נמוך כדי להשיג את הרזולוציה הרצויה של 7.5 ספרות. עבור משימה זו, ה-ADA4523-1‏ מיוצב-קוצץ (Chopper‏) הוא בחירה טובה. זהו מגבר פס-לפס בעל רעש נמוך ואפס-סחיפה, עם מתח אופסט µV‏ 4‏± (מקסימום) בתחום טמפרטורות פעולה של 40°C- עד 125°C+ ב-V‏ 5‏. סחיפ DC‏ נמוכה מובטחת על ידי מעגל כיול-עצמי השומר על סחיפת מתח אופסט עם הטמפרטורה מתחת ל-µV‏ 0.01‏ לכל מעלה צלזיוס (µV/°C).

ל-ADA4523-1 יש יחס דחיית אופן-משותף של dB‏ 160‏ (טיפוסי) ורמת רעש של p-p‏ nV‏ 88‏ (טיפוסי) מ-0.1 עד 10 הרץ (איור 4).

איור 4: מוצגת צורת הגל של הרעש מ-0.1 הרץ עד 10 הרץ של מגבר ADA4523-1 טיפוסי. (מקור התמונה: ADI)

בחירת רשת הנגדים מתואמים

רשת נגדים מתואמים נתונה במארז אחד המכיל מספר נגדים בעלי תכונות חשמליות תואמות, כגון ערך ההתנגדות, הטולרנס ומקדם הטמפרטורה. ההתנגדות האבסולוטית אינה קריטית, אך הערכים מותאמים במדויק ועוקבים אחר תחום טמפרטורות רחב, כך שיחסי ההתנגדות נשארים קבועים.

לדוגמה, ה-LT5400BIMS8E-7‏ (איור 5) הוא מערך של ארבעה נגדים הכולל שני נגדים של kΩ‏ 1.25‏ ושני נגדים של kΩ‏ 5‏, הנותנים יחס של 4:1 והגבר של ארבע. לנגדים אלה יש טולרנס התנגדות נומינלית של ±15%, אך יחסי ההתנגדות מותאמים ל-±0.025%. הודות למארז המשותף, יחס ההתנגדות של 4:1 עוקב אחר טמפרטורה גבוהה, עם מקדם טמפרטורה של C‏°‏/ppm‏ 25‏±. הסחיפה ביחסי ההתנגדות עם הטמפרטורה היא ppm/°C‏ 0.2‏±.

איור 5: מוצג מגבר דיפרנציאלי עם הגבר של ארבע עם ה-LT5400-7. (מקור התמונה: ADI)

סחיפה בטמפרטורה נמוכה היא חיונית משום שהגבר המגבר נקבע על ידי היחסים של R1 ל-R2 ו-R4 ל-R3. תיאום הנגדים מייצב את ההגבר של כל מחצית המגבר ומבטיח תיאום בין ההגברים של שני החצאים, ובכך שומר על יחס דחיית אופן-משותף (CMRR) גבוה.

סיכום

בעוד שמתכנני מכשירים עשויים להתקשות בהשגת רזולוציה של 7.5 ספרות במערכות איסוף נתונים עם ביצועים עיליים, ניתן לממש זאת ביעילות בעזרת הרכיבים הנכונים. כפי שהוצג, רכיבים מדויקים ביותר עם אי-לינאריות נמוכה וסחיפת אופסט נמוכה של Analog Devices, כגון ה-ADC AD4630-24BBCZ-RL, ייחוס מתח מדויק ADR1001AEZ, מגבר ADA4523-1 ורשת נגדים מתואמים LT5400BIMS8E-7, מפשטים את תכנון הקצה-הקדמי עם ביצועים עיליים.