適用于極端高溫環(huán)境的強(qiáng)大精密數(shù)據(jù)采集和控制平臺(tái)

作者：Jeff Watson and Maithil Pachchigar

多個(gè)行業(yè)的需求導(dǎo)致高精度電子產(chǎn)品越來越多地靠近高溫區(qū)域。這一趨勢有幾個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，例如在能源勘探中，獲取難以獲得的資源通常需要設(shè)計(jì)為在175°C或更高的溫度下運(yùn)行的設(shè)備。由于尺寸和功率限制，主動(dòng)冷卻是不切實(shí)際的，熱量對(duì)流非常有限。在其他系統(tǒng)中，希望將傳感器和信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)放置在靠近高溫區(qū)域的位置，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)或高功率能量轉(zhuǎn)換電子設(shè)備，以提高整體系統(tǒng)可靠性或降低成本。航空航天、汽車、重工業(yè)和其他終端應(yīng)用都在努力克服這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

從歷史上看，工程師為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)可靠、高性能的電子設(shè)備一直非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槿狈χ圃焐虨檫@些工作條件指定的組件。幸運(yùn)的是，近年來，制造商指定用于175°C及更高溫度工作的IC和無源元件數(shù)量越來越多。此外，最近的參考設(shè)計(jì)還關(guān)注信號(hào)鏈子系統(tǒng)中組合在一起用于精密數(shù)據(jù)采集的一些組件的性能，以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠更快地采用CN-0365等技術(shù)，并幫助他們降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并縮短上市時(shí)間。然而，到目前為止，在用于高溫精密數(shù)據(jù)采集的全功能齊全、特性良好且廣泛可用的平臺(tái)方面仍然存在差距。

在本文中，我們介紹了一種新的高溫、精密數(shù)據(jù)采集和處理平臺(tái)，該平臺(tái)設(shè)計(jì)工作溫度為200°C。 該平臺(tái)包括帶有數(shù)據(jù)采集前端和微控制器的高溫電路組件、優(yōu)化固件、數(shù)據(jù)采集和分析軟件、源代碼、設(shè)計(jì)文件、物料清單和測試報(bào)告。該平臺(tái)適用于高溫儀器系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)、快速原型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室測試。電路組件的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為與石油和天然氣儀表外形尺寸兼容，盡管它也可以用作其他高溫應(yīng)用的基礎(chǔ)。

硬件架構(gòu)概述

石油和天然氣勘探中使用的儀器，也稱為井下工具，類似于許多精密數(shù)據(jù)采集和控制平臺(tái)，但具有一些專門的性能和可靠性要求，作為該參考平臺(tái)的案例研究很有趣。在此應(yīng)用中，對(duì)來自各種傳感器的信號(hào)進(jìn)行采樣，以收集有關(guān)周圍地質(zhì)構(gòu)造的信息。這些傳感器可以采用電極、線圈、壓電或其他換能器的形式。加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀提供有關(guān)鉆柱傾斜度和旋轉(zhuǎn)速率的信息。其中一些傳感器的帶寬非常低，而另一些傳感器能夠提供音頻范圍或更高的信息。需要多個(gè)采集通道，并且必須在高溫（通常為175°C或更高）下保持高精度。此外，這些儀器中的許多都使用電池供電或可用的發(fā)電量有限，因此必須具有低功耗和多種工作模式以實(shí)現(xiàn)功率優(yōu)化。

除了電子系統(tǒng)要求外，井下應(yīng)用還具有機(jī)械約束，這些約束可能決定電子組件的外形尺寸，并影響組件的封裝和選擇。后者將在后面的章節(jié)中更詳細(xì)地討論，但值得注意的是，該段的電路組件往往對(duì)電路板寬度有限制。電子組件必須放置在鉆井作業(yè)中使用的管狀壓力容器內(nèi)，這會(huì)導(dǎo)致長寬比和窄。這種外形尺寸限制了可填充組件的尺寸和密度，還可能限制組件布局和信號(hào)路由的分區(qū)，這可能會(huì)對(duì)高精度電子產(chǎn)品的性能產(chǎn)生重大影響，因此需要注意布局和其他封裝設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。圖2顯示了典型的外形尺寸、安裝在管狀壓力容器中的電路組件（透明，頂部）和板安裝的管狀壓力容器的橫截面（底部）。

本文介紹的可靠參考設(shè)計(jì)平臺(tái)以CN-0365模擬前端參考設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，旨在為基于微控制器的高溫、低功耗精密數(shù)據(jù)采集和控制解決方案奠定基礎(chǔ)，以滿足許多井下儀器儀表和其他高溫電子設(shè)備的要求。此參考設(shè)計(jì)基于AD7981模數(shù)SAR轉(zhuǎn)換器，展示了功能齊全的 系統(tǒng)具有 2 個(gè)高速同步采樣通道以及 8 個(gè)額外的多路復(fù)用通道，適用于滿足各種井下工具的采集要求（總共 10 個(gè)通道）。該模擬前端通過SPI端口連接到聯(lián)盟合作伙伴Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM Cortex-M0微控制器。該設(shè)計(jì)是ADI不斷發(fā)展的高溫應(yīng)用產(chǎn)品和解決方案生態(tài)系統(tǒng)的最新成員。??

圖1.高溫參考平臺(tái)。

一旦采集，數(shù)據(jù)可以在本地處理或通過UART或可選的RS-485通信接口傳輸。板上的其他支持元件，包括存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、電源和無源器件，均由其各自的供應(yīng)商額定為高溫工作，并經(jīng)驗(yàn)證可在 200°C 或更高的溫度下可靠運(yùn)行。圖1和圖2顯示了該高溫基準(zhǔn)平臺(tái)的實(shí)際電路板和高級(jí)框圖。圖 2 中的電路板渲染圖顯示了井下電子電路板布局和外形尺寸，長約 11.4 英寸，寬約 1.1 英寸。

圖2.井下電子組件外形。

CN-0365應(yīng)用筆記廣泛介紹了該平臺(tái)的精密數(shù)據(jù)采集通道設(shè)計(jì)。3該設(shè)計(jì)是該平臺(tái)上三個(gè)ADC輸入的基礎(chǔ)，盡管進(jìn)行了一些更改和優(yōu)化，主要是在無源元件選擇方面，以滿足電路板的外形尺寸要求，并將可靠工作溫度延長至200°C。 參考采集通道電路如圖4所示。有2個(gè)數(shù)字多路復(fù)用通道，每個(gè)通道包含一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集通道，類似于CN-0365，能夠以高采樣速率運(yùn)行。還有一個(gè)模擬多路復(fù)用通道，在輸入前面增加了一個(gè)ADG798多路復(fù)用器，該通道針對(duì)較低吞吐量的輸入進(jìn)行了優(yōu)化。R1和R3為U1的同相輸入提供1.25 V偏置，并在保持開路或取消選擇多路復(fù)用器時(shí)防止其浮動(dòng)到模擬輸入的供電軌?？梢愿淖僐8和R9以增加U1的增益。R4、R7和C1是抗混疊濾波器，但它們可以重新配置為衰減器或備用濾波器配置。R5、R6和C4構(gòu)成ADC驅(qū)動(dòng)器和ADC輸入之間的RC濾波器，用于限制到達(dá)ADC輸入端的帶外噪聲量，并衰減ADC輸入中開關(guān)電容的反沖電壓。4

圖3.高溫參考平臺(tái)框圖。

圖4.ADC 驅(qū)動(dòng)程序配置。

該平臺(tái)旨在利用AD7981 ADC的幾個(gè)關(guān)鍵特性。這款16位、600 kSPS轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)大于85 dB的典型SINAD和±0.6 LSB（典型值INL），基準(zhǔn)電壓源為2.5 V，無失碼。使用5 V基準(zhǔn)電壓源可以實(shí)現(xiàn)大于90 dB的SINAD電壓源，盡管為了保持與低壓系統(tǒng)的兼容性，本平臺(tái)未選擇該基準(zhǔn)電壓源。由于ADC內(nèi)核在轉(zhuǎn)換周期之間自動(dòng)關(guān)斷，因此ADC功耗隨吞吐速率自動(dòng)線性調(diào)節(jié)。這樣，當(dāng)以較低的采樣率使用轉(zhuǎn)換器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

軟件概述

固件

該平臺(tái)的固件基于 FreeRTOS 操作系統(tǒng)構(gòu)建，便于簡單合并任務(wù)，例如數(shù)據(jù)處理和其他形式的通信。代碼經(jīng)過優(yōu)化，可高效完成非多路復(fù)用通道0和1的快速ADC轉(zhuǎn)換，以及多路復(fù)用通道2至9的低至10 μs。轉(zhuǎn)換結(jié)果可以在本地處理，也可以以 2 Mbps 的速度從 UART 通道流式傳輸出去。轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖器為16 kB（8k樣本），可在多個(gè)通道之間共享或?qū)Ｓ糜趩蝹€(gè)通道。該固件以開源格式提供，允許最終用戶進(jìn)行定制，并可作為最終應(yīng)用的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集和分析軟件

圖 5 顯示了數(shù)據(jù)采集和分析軟件，該軟件采用 .NET 設(shè)計(jì)，通過 USB-UART-TTL 電平轉(zhuǎn)換器與電路組件接口。定義明確的協(xié)議允許與硬件進(jìn)行通信，包括控制和數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)可以在突發(fā)模式下捕獲，也可以連續(xù)捕獲。此外，還包括數(shù)據(jù)分析功能，用于分析和驗(yàn)證時(shí)域和頻域（例如FFT）中的SNR、THD和SINAD。數(shù)據(jù)還可以記錄到文件中（例如，在Excel中導(dǎo)出），以便在其他應(yīng)用程序中存儲(chǔ)或處理。與固件一樣，數(shù)據(jù)采集軟件源代碼可由最終用戶免費(fèi)定制。

圖5.數(shù)據(jù)采集和分析軟件。

高溫結(jié)構(gòu)

該參考平臺(tái)使用適合200°C操作的組件和其他材料構(gòu)建。組件上使用的所有組件均由相應(yīng)制造商評(píng)定為高溫操作（除非另有說明），并且可從全球分銷商處隨時(shí)獲得。完整的 BOM、PCB 圖稿和裝配圖可作為參考設(shè)計(jì)包的一部分免費(fèi)提供。

電容器

C0G 或 NP0 介電電容器用于低值濾波和去耦。這些電介質(zhì)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有非常平坦的系數(shù)，并且通常更能耐受電路板彎曲應(yīng)力。5此外，對(duì)于在變化電壓下具有高Q值、低溫度系數(shù)和穩(wěn)定電氣特性的RC濾波器，建議使用C0G或NP0型電容器。小尺寸 0805 或更小的陶瓷用于最大限度地減少組件和 PCB 之間的 CTE 不匹配。選擇高溫鉭電容器進(jìn)行大容量儲(chǔ)能時(shí)，需要在封裝尺寸和ESR之間進(jìn)行權(quán)衡。

電阻

薄膜 SMT 電阻器，汽車級(jí) PATT 系列，用于該設(shè)計(jì)的大部分，并且在市場上很容易買到。一些厚膜SMT電阻器在設(shè)計(jì)中也用于特定的值和尺寸。

連接

該板采用額定溫度為 200°C 的 Micro-D 連接，這在高可靠性行業(yè)中很常見。為了減少信號(hào)串?dāng)_，規(guī)定連接器的外殼接地到組件中的PCB上。對(duì)于需要最高信號(hào)完整性和最低串?dāng)_的應(yīng)用，應(yīng)使用高溫專用連接器（或無連接器）和同軸或屏蔽平衡輸入，以最大程度地減少串?dāng)_。

印刷電路板設(shè)計(jì)和布局

選擇長而窄的PCB外形尺寸是為了適用于井下應(yīng)用，其中電路板必須符合鉆孔和壓力外殼的限制。選擇的電路板材料是高溫?zé)o鹵聚酰亞胺.指定 0.093“ 板厚度，以增加標(biāo)準(zhǔn) 0.062” 厚度板的剛性和平面度。

使用鎳金表面光潔度，其中鎳提供抵抗金屬間生長的屏障，金為焊點(diǎn)鍵合提供良好的表面。

對(duì)于所選的 0.093“ 電路板厚度，典型的四層堆疊將涉及 ~13 mil 銅層分離和 60 mil 的大內(nèi)部核心。在六層中，層間距通常為 9.5 密耳和 28 密耳。因此，采用了六層設(shè)計(jì)，并允許在每個(gè)信號(hào)層旁邊有一個(gè)接地層，以獲得更好的噪聲性能。

電源和數(shù)字通信信號(hào)饋入一個(gè)連接器，模擬信號(hào)進(jìn)入另一個(gè)連接器。這在數(shù)字域和模擬域之間提供了良好的隔離和信號(hào)流。平面分割位于中板，在分割附近提供電源濾波。穿過分體平面的數(shù)字控制線被最小化，并提供串聯(lián)端接以最大限度地減少數(shù)字噪聲的耦合。數(shù)字和模擬接地層通過銅網(wǎng)連接在單個(gè)點(diǎn)上，為驅(qū)動(dòng)源提供低阻抗返回路徑。

多路復(fù)用器控制信號(hào)沿模擬部分的長度運(yùn)行，但布線以遠(yuǎn)離關(guān)鍵的模擬信號(hào)路徑。實(shí)際上，這些多路復(fù)用控制線與采集測量同步變化，因此串?dāng)_效應(yīng)最小化。

焊料

選擇Sn95/Sb05是為了在200°C的工作溫度下提供足夠高的熔點(diǎn)（>230°C），并提供良好的可加工性和總裝車間的可用性。

板安裝

該板上提供的立柱安裝僅為方便起見，僅適用于臺(tái)架測試或?qū)嶒?yàn)室情況下的安裝。它們不適合高沖擊和振動(dòng)環(huán)境的安裝座。為了在高沖擊和振動(dòng)環(huán)境中使用，可以通過首先用環(huán)氧樹脂將組件固定到電路板上來制備電路板。IDC 標(biāo)頭等易受攻擊的項(xiàng)目可以封裝或從組件中刪除。井下或其他惡劣環(huán)境應(yīng)用的典型安裝將涉及軌道安裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過靈活的減震安裝墊圈固定電路板的周邊?；蛘?，可以將組件完全封裝并灌封在安裝硬件內(nèi)，然后將其固定在機(jī)箱或機(jī)箱上。

有關(guān)相應(yīng)器件的更多信息，請(qǐng)參閱文章“用于高溫電子應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案”。2

性能測試結(jié)果

對(duì)幾塊電路板進(jìn)行了廣泛的測試，以評(píng)估溫度范圍內(nèi)的典型性能，并在 200°C 環(huán)境中進(jìn)行 200 小時(shí)的溫度浸泡，以鑒定組裝過程和電路板可靠性。

交流和直流信號(hào)鏈性能是基于SAR ADC的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵精密測量指標(biāo)。當(dāng)ADC以600 kSPS運(yùn)行時(shí)，比例式魯棒平臺(tái)在200°C時(shí)可實(shí)現(xiàn)–100 dB以上的串?dāng)_和±60 mV的最大失調(diào)漂移。對(duì)于交流測試，使用低失真1 kHz音調(diào)作為輸入信號(hào)，電路板由+5 V供電直流/–2.5 V直流模擬電源。通過頻譜分析計(jì)算在400 kSPS下采集的這種音調(diào)的FFT如下圖6所示。在 200°C 時(shí)可獲得優(yōu)于 84 dB SNR 和 –96 dB THD。 圖7顯示了SNR和SINAD，圖8顯示了具有相同輸入音的非多路復(fù)用通道的THD隨溫度的變化。

圖6.200°C下的FFT和頻譜分析。

圖7.信噪比和錫納德隨溫度變化。

圖8.總諧波比溫度變化。

模擬和數(shù)字電源軌上的電流消耗在整個(gè)溫度范圍內(nèi)測量，如圖9所示。室溫下的總功耗為 155 mW，200°C 時(shí)增加到 225 mW。 3.3 V電源軌的功耗主要來自微控制器和精密振蕩器，微控制器以全時(shí)鐘速率運(yùn)行。轉(zhuǎn)換器設(shè)置為每秒采集8192個(gè)樣本。

圖9.2.5 V、3 V和5 V電源軌的電流消耗

其他參數(shù)的測試結(jié)果可以在參考平臺(tái)上找到，該參考平臺(tái)經(jīng)過認(rèn)證并具有200°C操作特性。

應(yīng)用示例

在石油和天然氣勘探、航空航天和重工業(yè)的許多應(yīng)用中，加速度計(jì)都用于方向和振動(dòng)傳感。具有模擬輸出的加速度計(jì)可以提供最高程度的精度，并可根據(jù)應(yīng)用靈活地調(diào)節(jié)傳感器輸出。

ADXL206是一款精密、低功耗、完整的雙軸iMEMS加速度計(jì)，適用于高溫環(huán)境。它提供 ±5 g 范圍和 0.5 Hz ≤帶寬≤ 2.5 kHz。ADXL206的輸出中心約為1/2 V?抄送并且與 V 成比例抄送.如果 ADXL206 和 EV-HT-200CDAQ1 共享 V抄送（在連接器上可用），V抄送多路復(fù)用器通道S7上提供的基準(zhǔn)可用于零直流失調(diào)和電源漂移。示例電路如圖10所示。ADXL206的0 V至5 V信號(hào)范圍必須按1/2比例調(diào)整，以適應(yīng)精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的0 V至2.5 V范圍。這是通過首先緩沖輸出，然后使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部的衰減器來實(shí)現(xiàn)的。C2和C3設(shè)置ADXL206的帶寬;圖9中的示例顯示了33 Hz的帶寬。 低帶寬應(yīng)用可以利用多路復(fù)用器輸入;為了獲得最高的帶寬和精度，可以使用兩個(gè)非多路復(fù)用輸入通道。

圖 10.將高溫加速度計(jì)與 EV-HT-200CDAQ1 接口。

總結(jié)

本文介紹了一種新型、高度集成的魯棒型精密數(shù)據(jù)采集參考平臺(tái)EV-HT-200CDAQ1，該平臺(tái)經(jīng)認(rèn)證并具有200°C工作特性。該平臺(tái)允許高溫電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員使用最新的先進(jìn)組件進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)和評(píng)估，從而最大限度地減少開發(fā)時(shí)間和上市時(shí)間。

審核編輯：郭婷