Erhalt von Präzision und Erhöhung der Performance der Datenerfassung durch Isolation

In dem Maße, in dem Intelligenz zur Lösung neuartiger und komplexer Probleme in die Randbereiche der Netze (Edge) verlagert wird, wird es immer wichtiger, die Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Performance der Datenerfassung (DAQ) sicherzustellen. Dies erfordert, dass eine isolierte Präzisionssignalkette zwischen dem erfassten Signal und dem Systemprozessor vorgesehen wird.

Die Sicherstellung der Isolierung in einer Präzisions-Analogsignal-Messkette ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Um die Leistung der Signalkette trotz signalstörender Faktoren und unvermeidlicher Temperaturdrift aufrechtzuerhalten, ist eine sorgfältige Detailarbeit erforderlich. Es kann hilfreich sein, die damit verbundenen Probleme besser zu verstehen, bevor die geeignete Isolationstechnologie ausgewählt und eingesetzt wird.

In diesem Artikel werden die verschiedenen Aspekte im Zusammenhang mit der Entwicklung und Optimierung eines isolierten High-End-Messsystems erörtert, wobei die Bezeichnung „High-End“ die Attribute Präzision, Genauigkeit, Signalintegrität und Konsistenz umfasst. Anschließend werden DAQ-Signalkettenlösungen von Analog Devices vorgestellt und es wird gezeigt, wie sie zur Bildung eines solchen Systems verwendet werden können.

Optimierung der einzelnen Funktionsblöcke

Ein typisches DAQ-System besteht aus einer Reihe von Funktionsblöcken, die es ermöglichen, das Signal vom physikalischen System über einen Sensor zu übertragen. Von dort aus gelangt es zu einem analogen Frontend (AFE) für die Signalaufbereitung, einem Analog/Digital-Wandler (ADC) für die Digitalisierung und dann zu einer computergestützten Auslese- oder Steuereinheit (die von einem Mikrocontroller bis zu einem viel größeren System reichen kann (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein DAQ-System besteht aus einer wohldefinierten, linearen Signalkette vom gemessenen physikalischen System und Sensor zum Host-Prozessor. (Bildquelle: Bill Schweber)

Die Verwirklichung der Präzision und Genauigkeit der Messdatenerfassung beginnt mit der Auswahl der Komponenten für die Signalkonditionierung im Frontend, insbesondere des Wandler-Vorverstärkers. Niedriges Rauschen ist einer der vielen kritischen Faktoren für diesen Teil, da internes Rauschen später im Design nur schwer zu reduzieren ist und zusammen mit dem gewünschten Signal verstärkt wird. Hier wird ein grundlegendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) festgelegt, das sich unvermeidlich weiter verschlechtert, wenn das Signal weitere Stufen durchläuft.

Aus diesem Grund wird bei AFEs häufig ein rauschoptimierter Einfunktions-Operationsverstärker (Op-Amp) verwendet. Eine gute Wahl für den Frontend-Vorverstärker ist der ADA4627-1BRZ-R7 von Analog Devices, ein schneller, rauscharmer JFET-Operationsverstärker für 30 V (±15 V Doppelspeisung) und niedrigem Vorspannungsstrom. Zu seinen zahlreichen sensoroptimierten Spezifikationen gehören eine niedrige Offset-Spannung von maximal 200 µV, eine Offset-Drift von typisch 1 μV/°C und ein Eingangsvorspannungsstrom von maximal 5 Picoampere (pA). Das kritische Spannungsrauschen beträgt 6,1 nV pro Wurzelherz (nV/√Hz) bei 1 Kilohertz (kHz) (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der JFET-Operationsverstärker ADA4627 hat ein Spannungsrauschen von 6,1 nV/√Hz (1 kHz). (Bildquelle: Analog Devices)

Isolierung bringt mehrere Vorteile

Nach der Verstärkung und Digitalisierung des Signals ist der nächste Schritt die Herstellung einer galvanischen Trennung zwischen dem Signal und dem digitalen Teil des Systems und dem zugehörigen Prozessor. Für diesen Schritt gibt es drei Hauptgründe:

1. Reduzierung von Rauschen und Interferenzen: Galvanische Trennung kann Gleichtaktspannungsschwankungen, Erdschleifen und elektromagnetische Störungen (EMI) beseitigen. Außerdem wird verhindert, dass externe Rauschquellen das erfasste Signal verfälschen, was sauberere und genauere Messungen gewährleistet.
2. Beseitigung von Masseschleifen: Masseschleifen können Spannungsdifferenzen verursachen, die das gemessene Signal verzerren. Die Isolierung unterbricht den Erdschleifenpfad und beseitigt so die durch die Schwankungen des Erdpotentials verursachten Störungen und verbessert die Messgenauigkeit.
3. Sicherheit: Isolationsbarrieren bieten elektrische Sicherheit, indem sie verhindern, dass gefährliche Spannungsspitzen, Transienten oder Überspannungen empfindliche Messkomponenten erreichen. Dies schützt die Messschaltung und die angeschlossenen Geräte und gewährleistet einen sicheren und zuverlässigen Betrieb. Darüber hinaus eliminieren solche Barrieren die elektrische Gefahr für die Benutzer, wenn der Niedrigpegelsensor auch nur kurz eine Hochspannungs- oder Wechselstromleitung berührt.

Es gibt verschiedene Techniken zur Isolierung digitaler Signale, die auf magnetischen, optischen, kapazitiven und sogar HF-Prinzipien basieren. Analog Devices bietet eine Reihe von Hochleistungslösungen an, darunter den fünfkanaligen digitalen Isolator ADUM152N1BRZ-RL7, der auf der firmeneigenen iCoupler-Technologie basiert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der digitale Fünfkanal-Isolator ADuM152N verwendet eine proprietäre Implementierung der magnetischen Kopplung, um eine hohe Performance zu erzielen. (Bildquelle: Analog Devices)

Diese Isolatoren kombinieren Highspeed-CMOS-Schaltkreise und monolithische Luftkerntransformatortechnologie. Um eine Performance zu gewährleisten, die den Anforderungen digitaler Hochgeschwindigkeitsverbindungen entspricht, beträgt die maximale Ausbreitungsverzögerung 13 Nanosekunden (ns) mit einer Impulsbreitenverzerrung von weniger als 4,5 ns bei 5 V, und die Anpassung der Ausbreitungsverzögerung von Kanal zu Kanal ist mit maximal 4,0 ns sehr eng. Eine ähnliche zweikanalige Version, der ADUM120N1BRZ-RL7, ist verfügbar, so dass die Gesamtzahl der isolierten Kanäle an die Busbreite angepasst werden kann.

Diese Isolatoren sind für Hochgeschwindigkeitsleistungen mit einer garantierten Datenrate von 150 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) optimiert. Sie bieten eine hohe Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI) von 100 kV pro Mikrosekunde (kV/μs), eine Spannungsfestigkeit von 3 kV Effektivwert (rms) und erfüllen alle einschlägigen gesetzlichen Vorschriften.

Die Signalisolierung ist nur ein Teil der gesamten Isolierung. Alle DC-Stromschienen zum Messsystem müssen ebenfalls isoliert sein. Meistens wird dies mit einem Übertrager als Trennelement bewerkstelligt.

Wenn die primäre Stromquelle bereits Wechselstrom ist, wird er durch den Übertrager geleitet, dann gleichgerichtet und reguliert; wenn die Stromquelle Gleichstrom ist, muss er zunächst in eine wechselstromähnliche Wellenform zerlegt werden. Dies wird durch den Einsatz von Bauelementen wie dem LT3999, einem rauscharmen DC/DC-Treiber mit 1 Ampere (A) und einem Frequenzbereich von 50 kHz bis 1 Megahertz (MHz), erheblich vereinfacht.

Ein komplettes Hochleistungs-Messsystem erfordert zusätzliche Kern- und Peripheriekomponenten. Ihre Gestaltung und Anordnung muss eine genaue Messung und Datenintegrität gewährleisten. Zusätzlich zu den Verstärkern und Isolationsbarrieren umfasst eine Präzisionssignalkette in der Regel Filterelemente, einen hochauflösenden ADC und Schalter. Diese Komponenten eliminieren Rauschen, minimieren Interferenzen und sorgen für eine genaue Signaldarstellung.

Das Gesamtbild

Ein Beispiel für eine isolierte Signalkette mit diesen Schlüsselkomponenten ist der ADSKPMB10-EV-FMCZ, eine Präzisionsplattform, die ein vollständig isoliertes Einkanal-Messsystem mit niedriger Latenz implementiert (Abbildung 4). Diese Lösung kombiniert einen Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGIA) zur Signalkonditionierung, um die Empfindlichkeit der verschiedenen Sensorschnittstellen mit digitaler und Leistungsisolierung auf einer kompakten Platine zu berücksichtigen.

Abbildung 4: Der ADKSPMB10-EV-FMCZ ist eine Präzisionsplattform, die ein einkanaliges, vollständig isoliertes DAQ-System mit niedriger Latenz implementiert. Ein PMOD-zu-FMC-Interposer-Board (mittlerer Block) bietet Isolierung und andere Funktionen. (Bildquelle: Analog Devices)

Für die Evaluierung wird diese als Multi-Board-Lösung konfiguriert, bestehend aus dem ADSKPMB10-EV-FMCZ auf einem PMOD-Formfaktor (Abbildung 5) zusammen mit dem SDP-Schnittstellenboard (SDP: System-Demonstrations-Plattform) EVAL-SDP-CH1Z. Zwischen diesen beiden Karten befindet sich eine vollständig isolierte PMOD-zu-FMC-Interposer-Karte.

Abbildung 5: Das Board ADSKPMB10-EV-FMCZ (links) wird über die PMOD-zu-FMC-Interposer-Karte (rechts) mit der SDP-Schnittstellenkarte (nicht abgebildet) verbunden. Die vertikale Trennzone auf der Interposer-Platine zeigt, wo die Isolationsbarriere implementiert ist. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Board ADSKPMB10-EV-FMCZ verfügt über einen diskreten PGIA, der mit dem Operationsverstärker ADA4627-1 aufgebaut ist. Der PGIA verfügt über die hohe Eingangsimpedanz, die für die direkte Verbindung mit einer Vielzahl von Sensoren erforderlich ist. Das Modul verfügt außerdem über ein Präzisionsnetzwerk mit vier angepassten Widerständen für die Verstärkungseinstellung, einen Vierkanal-Multiplexer und einen ADC-Treiber mit Differenzverstärker für den ADAQ4003. Der ADAQ4003 ist ein 18-Bit-ADC mit 2 Megasamples pro Sekunde (MS/s) und ein DAQ-Subsystem in Form eines μModuls.

Dieses Modul ist mehr als nur ein hochauflösender ADC. Der ADAQ4003 verfügt über mehrere Techniken zur Rauschunterdrückung, die eine zuverlässige Signalerfassung ermöglichen. So ist beispielsweise ein einpoliger Tiefpass-Widerstand-Kondensator-Filter (RC-Filter) zwischen dem ADC-Treiberausgang und den ADC-Eingängen im μModul platziert, um hochfrequentes Rauschen zu eliminieren und die Ladungsrückschläge vom Eingang des internen ADC zu reduzieren.

Außerdem sorgt das Layout des μModuls dafür, dass die analogen und digitalen Pfade getrennt sind, um Überschneidungen zu vermeiden und das Abstrahlungsrauschen zu minimieren.

Das vollständig isolierte PMOD-zu-FMC-Interposer-Board enthält den DC/DC-Treiber LT3999, die digitalen Fünf- und Zweikanal-Isolatoren, einen rauscharmen Low-Dropout-Regler (LDO) und einen ultra-rauscharmen LDO. Die Interposer-Platine fungiert als Brücke und ist mit der SDP-Schnittstellenkarte verbunden.

Die SDP-Schnittstellenkarte übernimmt die Verarbeitung, Verwaltung und Vernetzung nach der Datenerfassung. Dieses Board verfügt über einen 160-poligen FMC-Anschluss, eine 12V_DC-Versorgung, die weiter reguliert und für die anderen Boards aufgeteilt wird, einen Blackfin-Prozessor mit hardware-aktivierter Sicherheit für den Schutz von Code und Inhalten, einen USB-Anschluss und ein Spartan-6-FPGA.

Der Beweis liegt in der Performance

Die Bewertung der Performance eines Präzisionsmesssystems ist kein trivialer Prozess, da die Instrumentierung, die Testanordnung und die Messwerte entscheidend sind. Während viele dynamische Parameter mit der Performance von DAQ-Systemen korrelieren, sind die aufschlussreichsten der Dynamikbereich, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die gesamte harmonische Verzerrung (THD).

Der Dynamikbereich ist der Bereich zwischen dem Grundrauschen eines Geräts und seinem angegebenen maximalen Ausgangspegel.

Der typische Dynamikbereich dieses Designs von 93 Dezibel (dB) bei der höchsten Verstärkungseinstellung und 100 dB bei der niedrigsten Verstärkungseinstellung ist beeindruckend (Abbildung 6). Die Erhöhung des Überabtastungsverhältnisses auf einen Faktor von 1024× verbessert die Messung weiter und erreicht ein Maximum von 123 dB bzw. 130 dB.

Abbildung 6: Der Dynamikbereich der gesamten Schaltung und Signalkette von etwa 100 dB, abhängig von der Verstärkung und anderen Einstellungen, weist auf ein leistungsstarkes Messsystem hin. (Bildquelle: Analog Devices)

Das SNR ist das Verhältnis der Effektivsignalamplitude zum Mittelwert des Wurzelquadrats (RSS) aller anderen Spektralkomponenten, ausgenommen Oberwellen und Gleichstrom. THD ist das Verhältnis zwischen dem Effektivwert des Grundsignals und dem Mittelwert der RSS seiner Oberwellen.

SNR und THD dieses Designs bieten eindeutig eine hohe Performance, da die Signalkette je nach Verstärkungseinstellung ein maximales SNR von 98 dB (Abbildung 7 (links)) und einen THD von -118 dB (Abbildung 7 (rechts)) erreicht.

Abbildung 7: Neben dem Dynamikbereich sind der hohe SNR (links) und der niedrige THD (rechts) ein greifbarer Beweis für die überragende, auf analoge Messgeräte ausgerichtete Performance. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit

Der Entwurf und die Implementierung einer isolierten Präzisionssignalkette, die die Genauigkeit bewahrt, Rauschen und Interferenzen minimiert und die Datenintegrität sicherstellt, ist ein bedeutendes Design- und Implementierungsunterfangen. Glücklicherweise kann dies durch den gezielten Einsatz von Präzisionsverstärkung, Isolationstechniken, hochauflösenden ADCs und Modulen sowie rauscharmer Energieverwaltung erreicht werden, um selbst in elektrisch schwierigen Umgebungen präzise Messungen zu ermöglichen. Ermöglicht wird dies durch den Einsatz fortschrittlicher Komponenten von Analog Devices, die von einfachen Operationsverstärkern bis hin zu fortschrittlichen Isolationsgeräten reichen und durch die erforderlichen Peripheriefunktionen sowie durch detaillierte Datenblätter und Anwendungsrichtlinien unterstützt werden.