高性能模塊化儀器儀表如何實現(xiàn)更好的應(yīng)用和更小的尺寸？

移動性的實現(xiàn)是擯棄臺式儀器儀表的一個因素?；诙ㄖ坪蜋C(jī)架的大型系統(tǒng)從物流角度來講有局限性。將工作柜/桌面設(shè)備分拆成較小的節(jié)點可實現(xiàn)自定義配置，并針對測試站點或?qū)ο蟮沫h(huán)境和尺寸優(yōu)化儀器儀表。通過將測量儀器儀表拆分成較小的節(jié)點可以改善移動性，并減少接線和安裝麻煩。與本地移動儀器儀表的接線連接比部署長線纜回到中央機(jī)架或臺式儀器儀表容易。花在驗證接線和更正錯誤接線上的時間也能節(jié)省下來。尺寸的變化暫且不論，對良好的測試性能、確定性以及精度的要求依然存在。

高動態(tài)范圍的模塊化平臺儀器儀表是二十一世紀(jì)測量設(shè)備的基本要求。儀器儀表為各式各樣專業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步創(chuàng)新、研究和開發(fā)提供了所需的測量能力。

這些種類繁多應(yīng)用具有同樣復(fù)雜的通道數(shù)。工業(yè)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)8通道模塊擴(kuò)展至512通道及以上，用于EEG測量。關(guān)鍵是將前端測量設(shè)計擴(kuò)展至大量通道，同時保持同步采樣。它是數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，指導(dǎo)了整整一代產(chǎn)品的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和最終使用。

在創(chuàng)造更小封裝的同時保持測量通道密度要求高功效。增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和鏈路的動態(tài)范圍（促使其向110 dB發(fā)展），同時將電流消耗限制在合理范圍內(nèi)，這是一場持久戰(zhàn)。平衡動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗不是容易的事。

依靠 AD7768 和 AD7768-4 能力實現(xiàn)的新ADC子系統(tǒng)已經(jīng)問世。它可以憑借數(shù)字化能力實現(xiàn)更寬的帶寬、比以往更高的精度，提供多通道中的保真度和同步采樣。它還具有解決散熱難題的工具，可平衡高動態(tài)范圍模塊化系統(tǒng)設(shè)計中的動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗。

AD7768可適應(yīng)測量場景。散熱、更小的空間以及缺少主動式冷卻都是模塊化儀器儀表的限制，而AD7768采用內(nèi)置操作模式，提供快速、中速和節(jié)能調(diào)節(jié)。對于給定的輸入帶寬，用戶可決定功耗高低，從而減少模塊內(nèi)的熱量。一個例子就是在51.2 kHz的輸入帶寬內(nèi)進(jìn)行數(shù)字化。這類帶寬常用于FFT式分析，因為它在FFT輸出中提供整數(shù)倉大小。AD7768采用磚墻數(shù)字濾波器幀，需要輸入帶寬。低紋波通帶和陡峭的過渡帶結(jié)合頻率超過51.2 kHz時的全衰減，意味著奈奎斯特頻率附近不會出現(xiàn)折返。對于AD7768，用戶可以選擇快速或中速工作模式。該決策必須權(quán)衡電流消耗和動態(tài)范圍，具體取決于系統(tǒng)限制哪個因素。下面我們看看具體情況：

這里展示了動態(tài)范圍和電流消耗的權(quán)衡，使用下列基本設(shè)置：MCLK = 32.768 MHz，低紋波通帶濾波器（“磚墻”），每種模式128 kSPS數(shù)據(jù)速率，采用1 kHz輸入正弦波數(shù)字化50 kHz輸入帶寬，滿量程以下–0.5 dB。圖1和圖2顯示了ADC性能對比：模擬輸入正弦波的一個出色的低失真數(shù)字版本。中速模式可降低電流消耗，但犧牲噪聲和3 dB動態(tài)范圍。

表1. 數(shù)字化并創(chuàng)建51.2 kHz帶寬的FFT。選擇最高的動態(tài)范圍或最低的電流消耗。

¹注意, ，某些供應(yīng)商將此數(shù)字表示為SNR（短路輸入噪聲）。AD7768采用完整正弦波進(jìn)行測試，實施真SNR所需的完整基準(zhǔn)范圍。

²包括預(yù)充電模擬輸入緩沖器。預(yù)充電緩沖器降低模擬輸入電流以及輸入幅度，使模擬輸入更易于驅(qū)動前置的驅(qū)動器放大器。開啟預(yù)充電緩沖器后，AD7768可提供失真性能上的獨特優(yōu)勢

在一個經(jīng)典的51.2 kHz測量帶寬實例中，用戶可以選擇降低電流，或最大化ADC的動態(tài)范圍。不僅功率調(diào)節(jié)適用于ADC，此外還有一些針對ADC前的驅(qū)動器放大器電路的連鎖效應(yīng)。如圖3所示，子系統(tǒng)還包括一個驅(qū)動器放大器，通常帶有信號調(diào)理，用于抗混疊。

可選擇功耗不同的放大器匹配各種功耗模式。此表表明，以后可擴(kuò)展快速模式的最初設(shè)計，用于中速或節(jié)能模式，且基本尺寸不變，但電流消耗降低。

表2. 將ADC功耗模式應(yīng)用到有效的驅(qū)動器放大器解決方案中。

調(diào)節(jié)至中速模式的較低功耗放大器有助于進(jìn)一步降低電流消耗。中速模式下使用ADA4807-2或ADA4940-1的性能以圖4和圖5表示，其中在50 kHz輸入帶寬范圍內(nèi)數(shù)字化交流或直流。

調(diào)諧和調(diào)節(jié)測量子系統(tǒng)功耗的能力具有兩個優(yōu)勢。首先，靈活的嵌入式功耗調(diào)節(jié)允許隨時靈活改善測量范圍或測量持續(xù)時間（例如，模塊是否由電池供電）。其次，可以提供創(chuàng)建基礎(chǔ)平臺設(shè)計的能力，該平臺可設(shè)置和適配特定的測量帶寬和性能點，以便開發(fā)定制型儀器儀表，應(yīng)對確切的最終客戶測量挑戰(zhàn)。

除了使用AD7768 調(diào)節(jié)ADC電流消耗和動態(tài)范圍外，還有可配置濾波，能適配測量解決方案。磚墻、低紋波濾波器能很好地提供寬頻率范圍內(nèi)的增益精度。其缺點是具有較長的積分/均值時間。因此，AD7768的群延遲相對較大，在看到模擬輸入的數(shù)字版本以前會存在34個數(shù)據(jù)周期的延遲。為了提供相對時間軸，當(dāng)工作在250 kSPS的快速模式時，每一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換周期為4 μs，因此群延遲為136 μs。在控制環(huán)路中，或快速響應(yīng)比頻率范圍內(nèi)的增益精度更重要的應(yīng)用中，可能無法容忍這一缺點。使用sinc5濾波器可以實現(xiàn)這些高動態(tài)范圍測量。相對于寬帶濾波器，該路徑可降低10倍的群延遲。

AD7768一個有用的功能是，允許用戶在通道中混合使用各種類型的濾波器。每一個ADC都可被分配給兩組通道之一。之后，每組都可被分配給兩個濾波器之一，并從六個可用的抽取速率中選擇一個進(jìn)行設(shè)置。這項功能可讓八個ADC完成不同的測量類型，并允許通過軟件設(shè)置進(jìn)行配置，如同每個ADC都是獨立的。一個示例場景是，監(jiān)控重要工業(yè)資產(chǎn)時，用戶可能希望測量4 mA至20 mA發(fā)送器或電壓輸出發(fā)送器的直流輸出，同時在另一個模擬輸入通道上測量振動傳感器。可以讀取發(fā)送器的直流響應(yīng)，并饋入控制環(huán)路，同時在另一個同步通道上測量振動。混合使用輸入帶寬和延遲的能力是為工業(yè)設(shè)置創(chuàng)建定制型高價值儀器儀表的基礎(chǔ)：一個儀器儀表具有兩種功能，即運行流程變量并對工廠振動信息進(jìn)行積分，兩者在一個系統(tǒng)上同時完成。

大型固定儀器儀表正逐漸轉(zhuǎn)換為更具移動性、更靈活的設(shè)備。它們能為各種行業(yè)、市場和應(yīng)用的高級開發(fā)和創(chuàng)新提供高價值潛力。面對如此具有挑戰(zhàn)性的動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗，使用高級ADC有助于緩解這些難題，并為設(shè)計人員提供更強大的工具。

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