השתמשו בבידוד כדי לשמר את הדיוק ולשפר את הביצועים עבור איסוף נתונים

ככל שהבינה עוברת אל הקצה כדי לפתור בעיות חדשות ומורכבות, חשוב יותר ויותר להבטיח את המהימנות, הדיוק והביצועים של איסוף הנתונים (DAQ). זה דורש שהמתכננים יספקו שרשרת אותות מבודדת ועם דיוק גבוה בין האותות הנקלטים לבין מעבד המערכת.

הבטחת הבידוד בשרשרת מדידת אותות אנלוגית מדויקת היא משימה מאתגרת. נדרשת תשומת לב קפדנית לפרטים כדי לשמור על ביצועי שרשרת האותות למרות גורמים משחיתי-אותות וסחיפת טמפרטורה בלתי נמנעת. עבור מתכננים רבים, זה יכול להיות מועיל להבין טוב יותר את הבעיות הכרוכות בכך לפני בחירת ושימוש בטכנולוגיית הבידוד המתאימה.

מאמר זה דן בסוגיות השונות הקשורות לפיתוח ואופטימיזציה של מערכת DAQ מבודדת מתקדמת, כאשר הציון "מהרמה-העליונה" מקיף תכונות של דיוק, דיוק-חוזר, תקינות אותות ועקביות. לאחר מכן הוא מציג פתרונות שרשרת אותות DAQ של Analog Devices‏ ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם ליצירת מערכת כזו.

אופטימיזציה של כל בלוק פונקציונלי

מערכת DAQ טיפוסית מורכבת מסדרה של בלוקים פונקציונליים, המאפשרים את מעבר האותות מהמערכת הפיזית באמצעות חיישן. משם הוא עובר לקצה קדמי אנלוגי (AFE) עבור אכשור אותות, ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) עבור דיגיטציה, ולאחר מכן לקריאה או בקר מבוססי-מחשב (היכול להיות בין מיקרו-בקר לבין מערכת גדולה בהרבה (איור 1).

איור 1: מערכת DAQ מורכבת משרשרת אותות ליניארית מוגדרת היטב, מהמערכת הפיזית הנמדדת והחיישן למעבד המארח. (מקור התמונה: ביל שוובר)

מימוש הדיוק והדיוק-החוזר של מערכת DAQ מתחיל בבחירת רכיבי אכשור אותות הקצה-הקדמי, במיוחד הקדם-מגבר של המתמר. ביצועי רעש נמוך הם בין הגורמים הקריטיים הרבים עבור פונקציה זו, שכן קשה להפחית את הרעש הפנימי בהמשך התכן והוא יוגבר ביחד עם האות הרצוי. נוצר כאן יחס אות-לרעש (SNR) התחלתי שבאופן בלתי נמנע הוא ירד עוד יותר ככל שהאות יעבור דרגות נוספות.

מסיבה זו, AFEs משתמשים לעתים קרובות במגבר שרת חד-פונקציה (op amp) ממוטב-רעש. בחירה טובה עבור הקדם-מגבר של הקצה-קדמי היא ה-ADA4627-1BRZ-R7‏ של Analog Devices‏, מגבר שרת JFET‏ V‏ 30‏ (הספקה כפולה V‏ 15‏±) עם מהירות גבוהה, רעש נמוך וזרם ממתח נמוך. בין המפרטים הרבים הממוטבי-חיישנים, הוא כולל מתח אופסט נמוך של μV‏ 200‏ (מקסימום), סחיפת אופסט של μV/°C‏ 1‏ (טיפוסי), וזרם ממתח כניסה של 5 פיקו-אמפר (pA‏) (מקסימום). מפרט רעש המתח הקריטי הוא nV‏ 6.1‏ לכל שורש הרץ (nV/√Hz) ב-1 קילו-הרץ (kHz) (איור 2).

איור 2: מגבר שרת ADA4627 JFET הוא בעל רעש מתח של nV/√Hz‏ 6.1‏ (kHz‏ 1‏). (מקור התמונה: Analog Devices)

הבידוד מביא יתרונות רבים

לאחר שהאות הוגבר ועבר דיגיטיזציה, השלב הבא הוא יצירת בידוד גלווני בין האות לבין המקטע הדיגיטלי של המערכת והמעבד המשויך. ישנן שלוש סיבות עיקריות לצעד זה:

1. הפחתת רעש והפרעות: בידוד גלווני יכול למנוע שינויים במתח אופן-משותף (CM‏), חוגי הארקה והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). הוא גם מונע ממקורות רעש חיצוניים לפגוע באות הנקלט, ומבטיח מדידות נקיות ומדויקות יותר.
2. מניעת חוג-הארקה: חוגי הארקה יכולים לגרום להפרשי מתח המעוותים את האות הנמדד. הבידוד פותח את נתיב חוג ההארקה, ובכך מסיר את ההפרעות הנגרמות על ידי השונות של פוטנציאל הארקה ומשפר את דיוק המדידה.
3. בטיחות והגנה: מחסומי בידוד מעניקים בטיחות חשמלית על ידי מניעת שיאי מתח, טרנזיינטים או נחשולי מתח, כולם מסוכנים, מלהגיע לרכיבי מדידה רגישים. זה מגן על מעגלי המדידה וההתקנים המחוברים, ומבטיח פעולה בטוחה ואמינה. בנוסף, מחסומים כאלה מונעים את הסכנה החשמלית למשתמשים אם החיישן ברמה נמוכה נוגע אפילו לזמן קצר בקו מתח גבוה או AC.

קיימות מספר טכניקות עבור מימוש בידוד של אותות דיגיטליים המבוססות על עקרונות מגנטיים, אופטיים, קיבוליים ואפילו RF. Analog Devices מציעה משפחה של פתרונות בעלי ביצועים גבוהים, כולל המבודד הדיגיטלי עם חמישה ערוצים ADUM152N1BRZ-RL7‏ המבוסס על טכנולוגיית Coupler‏i‏ הקניינית שלהם (איור 3).

איור 3: המבודד הדיגיטלי בעל חמישה ערוצים ADuM152N משתמש במימוש קנייני של צימוד מגנטי כדי להשיג ביצועים גבוהים. (מקור התמונה: Analog Devices)

מבודדים אלה משלבים מעגלי CMOS במהירות גבוהה וטכנולוגיית שנאי ליבת אוויר מונוליטי. כדי להבטיח ביצועים התואמים את הצרכים של קישורים דיגיטליים במהירות גבוהה, שיהוי ההתפשטות המקסימלי הוא 13 ננו-שניות (ns) עם עיוות רוחב פולס של פחות מ-ns‏ 4.5‏ ב-V‏ 5‏, ותיאום ערוץ-לערוץ של שיהוי ההתפשטות הוא של ns‏ 4.0‏ (מקסימום) בלבד. קיימת גרסה דו-ערוצית דומה, ADUM120N1BRZ-RL7‏, כך שניתן להתאים את המספר הכולל של הערוצים המבודדים לרוחב האפיק.

מבודדים אלה מותאמים לביצועים במהירות גבוהה עם קצב נתונים מובטח של 150 מגה-ביט לשנייה (Mbits/s). הם מציעים חסינות טרנזיינטי אופן-משותף (CMTI) גבוהה של kV‏ 100‏ למיקרו-שנייה (kV/μs), דירוג מתח עמידה של kV‏ 3‏ שורש ממוצע הריבועים (rms), ועומדים בכל הדרישות הרגולטוריות הרלוונטיות.

בידוד האותות הוא רק חלק מסיפור הבידוד הכולל. כל פסי הספקת-הכוח DC למערכת DAQ חייבים להיות מבודדים. זה מושג לרוב באמצעות שנאי כאלמנט המבודד.

אם מקור הספקת-הכוח העיקרי הוא כבר AC, הוא מועבר דרך השנאי, ולאחר מכן הוא מיושר ומיוצב; אם מקור הספקת-כוח הוא DC, תחילה יש לקצוץ אותו לצורת גל דמוי-AC. זה מפושט מאוד באמצעות רכיבים כגון ה-LT3999‏, דוחף DC/DC‏ 1‏ אמפר (A‏), kHz‏ 50‏ עד 1‏ מגה-הרץ (MHz‏) בעל רעש נמוך.

מערכת DAQ שלמה בעלת ביצועים גבוהים דורשת רכיבי ליבה ורכיבים היקפיים נוספים. התכנון והסידור שלהם חייבים להבטיח מדידה מדויקת ותקינות נתונים. בנוסף למגברים ולמחסומי הבידוד, שרשרת אותות מדויקת כוללת בדרך כלל רכיבי סינון, ADC ברזולוציה גבוהה ומתגים. רכיבים אלה משתלבים כדי למנוע רעש, למזער הפרעות ולספק ייצוג אות מדויק.

מחברים הכול ביחד

דוגמה לשרשרת אותות מבודדת המשתמשת ברכיבי מפתח אלו היא ה-ADSKPMB10-EV-FMCZ‏, פלטפורמה בדיוק גבוה המממשת מערכת DAQ חד-ערוצית, מבודדת במלואה ועם שיהוי (Latency‏) קצר (איור 4). פתרון זה משלב מגבר מכשור עם הגבר ניתן-לתכנות (PGIA) עבור אכשור אותות כדי להתאים לרגישויות של ממשקי החיישנים השונים עם בידוד הספקת-כוח ודיגיטלי בתוך לוח קומפקטי.

איור 4: ה-ADKSPMB10-EV-FMCZ היא פלטפורמה עם דיוק גבוה המממשת מערכת DAQ חד-ערוצית, מבודדת במלואה ועם שיהוי (Latency‏) קצר. לוח Interposer‏ PMOD‏-ל-FMC‏ (הבלוק במרכז) מספק בידוד ופונקציות אחרות. (מקור התמונה: Analog Devices)

לצורך הערכה, הוא מוגדר כפתרון רב-לוחות המורכב מ-ADSKPMB10-EV-FMCZ על גורם צורה של PMOD (איור 5) ביחד עם לוח ממשק פלטפורמת הדגמת מערכת (SDP‏) EVAL-SDP-CH1Z‏. בין שני הלוחות הללו נמצא לוח Interposer‏ PMOD-to-FMC‏ מבודד במלואו.

איור 5‏: ה-ADSKPMB10-EV-FMCZ‏ (שמאל) מתחבר ללוח ממשק SDP‏ (לא מוצג) באמצעות לוח Interposer‏ PMOD-to-FMC‏ (ימין). אזור הפיצול האנכי בלוח ה-Interposer‏ מראה היכן ממומש מחסום הבידוד. (מקור התמונה: Analog Devices)

ה-ADSKPMB10-EV-FMCZ כולל PGIA‏ בדיד שנבנה באמצעות מגבר שרת ADA4627-1. ל-PGIA יש את אימפדנס הכניסה הגבוה הדרוש לתמיכה בממשק ישיר עם מגוון של חיישנים. המודול כולל גם רשת ארבעה נגדים מותאמת-במדויק להגדרת ההגבר, מולטיפלקסר ארבעה ערוצים, ודוחף ADC מגבר דיפרנציאלי במלואו עבור ה-ADAQ4003‏. ה-ADAQ4003 הוא תת-מערכת ADC ו-DAQ של Bit‏-18‏, 2 מגה-דגימות לשנייה (MSPS) הממומשת כ-μModule‏.

מודול זה הוא יותר מרק ADC ברזולוציה גבוהה. מספר טכניקות הפחתת רעש משולבות ב-ADAQ4003‏ כדי לאפשר קליטת אותות בנאמנות-גבוהה. לדוגמה, מסנן קבל-נגד (RC) מעביר-נמוכים ממוקם בין יציאת דוחף ה-ADC לבין כניסות ה-ADC בתוך ה-μModule כדי למנוע רעש בתדר גבוה ולהפחית את ה"נחשולים-חוזרים" של הטעינה מהכניסה של ה-ADC הפנימי.

יתר על כן, הפריסה של ה-μModule מבטיחה שהמסלולים האנלוגיים והדיגיטליים מופרדים כדי למנוע הצלבה ולמזער רעש מקרין.

לוח ה-Interposer‏ PMOD-to-FMC‏ המבודד-במלואו כולל את דוחף DC/DC‏ LT3999‏, מבדדים דיגיטליים חמישה ושני ערוצים, מייצב עם מפל-מתח נמוך (LDO‏) עם רעש נמוך, ו-LDO‏ עם רעש אולטרה-נמוך. לוח ה-Interposer‏ מתפקד כגשר ומתחבר ללוח ממשק SDP‏.

לוח ממשק SDP מבצע עיבוד, ניהול וחיבוריות לאחר הקליטה. ללוח זה יש מחבר FMC‏ עם 160 פינים, ספק-כוח _DC‏V‏ 12‏ המיוצב ומחולק הלאה עבור הלוחות האחרים, מעבד Blackfin עם אבטחה מאופשרת-חומרה להגנה על הקוד והתוכן, נקודת-חיבור USB‏ ו-Spartan-6 FPGA‏.

ההוכחה היא בביצועים

הערכת הביצועים של מערכת DAQ מדויקת אינה תהליך טריוויאלי, שכן המכשור, סידור הבדיקה והמדדים הם קריטיים. בעוד שפרמטרים דינמיים רבים קשורים לביצועים של מערכות DAQ, החשובים ביותר הם התחום הדינמי, יחס אות-לרעש (SNR) ועיוותים הרמוניים כוללים (THD‏).

התחום הדינמי הוא התחום בין רצפת הרעש של ההתקן לבין רמת היציאה המקסימלית שבמפרט.

התחום הדינמי הטיפוסי של תכן זה, 93 דציבלים בהגבר הגבוה ביותר ו-dB‏ 100‏ בהגבר הנמוך ביותר, הוא מרשים (איור 6‏). הגדלת יחס דגימת-היתר בפקטור של ×1024 משפרת עוד יותר את המדידה, עם מקסימום של dB‏ 123‏ ו-dB‏ 130‏, בהתאמה.

איור 6: תחום דינמי של בערך dB‏ 100‏ של כל המעגל ושרשרת האותות, בתלות בהגבר ובהגדרות אחרות, מעיד על מערכת DAQ בעלת ביצועים גבוהים. (מקור התמונה: Analog Devices)

SNR הוא היחס בין אמפליטודת האות rms לבין שורש ממוצע הריבועים (RSS) של כל הרכיבים הספקטרליים האחרים, למעט הרמוניות ו-DC. THD הוא היחס בין ערך ה-rms של האות הבסיסי לבין הערך הממוצע של ה-RSS של ההרמוניות שלו.

ה-SNR ו-THD עבור תכן זה הם בבירור בעלי ביצועים גבוהים, שכן שרשרת האותות משיגה SNR מקסימלי של dB‏ 98‏ (איור 7 (שמאל)) ו-THD של dB‏ 118‏- (איור 7 (ימין)), בהתאם להגדרות ההגבר.

איור 7: יחד עם התחום הדינמי, ה-SNR הגבוה (שמאל) וה-THD הנמוך (ימין) מספקים עדות מוחשית לביצועי DAQ ממוקדים-אנלוגית מעולים. (מקור התמונה: Analog Devices)

סיכום

תכנון ומימוש של שרשרת אותות מבודדים עם דיוק גבוה השומרת על הדיוק, ממזערת רעשים והפרעות ומבטיחה את שלמות הנתונים היא משימה משמעותית לתכנון ומימוש. למרבה המזל, ניתן להשיג זאת באמצעות שימוש מושכל בהגברה מדויקת, טכניקות בידוד, ADCs ומודולים ברזולוציה גבוהה וניהול הספקת-כוח עם רעש נמוך כדי לאפשר מדידות מדויקות, אפילו בסביבות מאתגרות מבחינה חשמלית. זה מתאפשר הודות לשימוש ברכיבים מתקדמים של Analog Devices‏, החל ממגברי שרת בסיסיים ועד להתקני בידוד מתקדמים, הנתמכים על ידי פונקציות היקפיות הכרחיות, ביחד עם דפי נתונים מפורטים והנחיות יישומים.