高性能模塊化儀器如何實現(xiàn)更大的應(yīng)用和更小的外形尺寸

繼幾代定制臺式儀器之后，繼續(xù)向具有更大靈活性、軟件控制和更小外形尺寸的模塊化儀器過渡。然而，在滿足噪聲和測量精度目標(biāo)的同時降低功耗仍然是一個挑戰(zhàn)。

遠(yuǎn)離臺式儀器的一個變化是能夠?qū)崿F(xiàn)移動性。從物流的角度來看，大型定制和基于機(jī)架的系統(tǒng)具有局限性。將機(jī)柜/桌面設(shè)備分解為更小的節(jié)點可實現(xiàn)自定義配置，并針對測試站點或受試者的環(huán)境和地理位置優(yōu)化儀器。通過將測量儀器分解成更小的節(jié)點來提高測量儀器的移動性，從而減少布線和安裝難題。與本地移動儀器的布線連接比將長電纜追溯到中央機(jī)架或臺式儀器更容易?；謴?fù)驗證接線和修復(fù)接線錯誤連接所花費(fèi)的時間。盡管外形尺寸不斷變化，但對最佳測試性能、確定性和準(zhǔn)確性的需求仍然存在。

應(yīng)用領(lǐng)域

具有高動態(tài)范圍的模塊化平臺儀器相當(dāng)于21世紀(jì)的卷尺。該儀器提供在各種專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步創(chuàng)新、研究和開發(fā)所需的測量功能。

材料科學(xué)研發(fā)領(lǐng)域的測試，從風(fēng)車葉片的結(jié)構(gòu)分析到渦輪機(jī)的健康、福祉和電力輸出。

測量應(yīng)變/壓電傳感器的輸出，調(diào)節(jié)這些電壓，并為結(jié)構(gòu)健康和材料開發(fā)進(jìn)行定量分析，并提供無干擾的清晰測量。

汽車座艙噪聲測量。在原型開發(fā)過程中，將放置在車內(nèi)的麥克風(fēng)的輸出數(shù)字化，直至實現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的控制回路，從而提高工廠車間的生產(chǎn)吞吐量。

電氣測試：

音頻測量支持開發(fā)用于聲控控制和操作的高級麥克風(fēng)模塊和揚(yáng)聲器。

ATE中的無源和有源電子設(shè)備的電氣測試，其中參數(shù)測量精度和速度與測試成本有關(guān)。

EEG需要在接近直流的特定帶寬上具有極高的動態(tài)范圍。需要更低的功率來封裝數(shù)百個同步測量通道，以封裝到一個小尺寸中。

這些廣泛的應(yīng)用具有同樣廣泛的通道數(shù)。工業(yè)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn) 8 通道模塊可擴(kuò)展至 512 通道及以上，用于 EEG 測量。將前端測量設(shè)計擴(kuò)展到大量通道，同時保持同步采樣是關(guān)鍵。它是指導(dǎo)一代人研究、開發(fā)、生產(chǎn)和最終操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

創(chuàng)建更小的外形尺寸外殼，同時保持測量通道密度需要電源效率。將模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和鏈路的動態(tài)范圍（之前）提高到110 dB，同時控制電流消耗是一場持久的戰(zhàn)斗。平衡動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗并不容易。

由AD7768和AD7768-4功能支持的新型ADC子系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。它能夠以比以前更高的精度數(shù)字化到更寬的帶寬，并具有跨多個通道的保真度和同步采樣。它還提供了緩解熱挑戰(zhàn)的工具，并在高動態(tài)范圍模塊化系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)了動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗的適當(dāng)平衡。

可重新配置的熱足跡，軟件可編程測量帶寬

AD7768可以適應(yīng)測量情況。熱量、減少的空氣空間和沒有主動冷卻都是模塊化儀器的限制，AD7768使用內(nèi)置工作模式簡化了這些限制，以實現(xiàn)快速、中值和節(jié)能的功耗調(diào)節(jié)。對于給定的輸入帶寬，用戶可以決定消耗更多或更少的功率，從而減少模塊內(nèi)的熱量。一個例子是在51.2 kHz的輸入帶寬上進(jìn)行數(shù)字化。這種帶寬在基于 FFT 的分析中很常見，因為它在 FFT 輸出中提供了一個整數(shù)箱大小。AD7768采用磚墻數(shù)字濾波器框架，需要輸入帶寬。低紋波通帶和陡峭過渡帶在剛好高于 51.2 kHz 的頻率下具有完全衰減，這意味著奈奎斯特頻率附近沒有折返。對于AD7768，用戶可以選擇在快速或中值模式下工作。在電流消耗和動態(tài)范圍之間做出決定，具體取決于哪個范圍對系統(tǒng)最受限制。一起來看看：

圖1.數(shù)字化 50 kHz 輸入帶寬?？焖倌Ｊ叫阅埽現(xiàn)FT顯示ADA4896-2驅(qū)動時的性能。（AD7768處于快速模式，十進(jìn)制×64，輸出速率為128 kSPS）預(yù)充電模擬輸入緩沖器開啟。

圖2.數(shù)字化 50 kHz 輸入帶寬。中值模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4896-2驅(qū)動時的性能。（AD7768處于中值模式，十進(jìn)制×32時輸出速率為128 kSPS）預(yù)充電模擬輸入緩沖器導(dǎo)通。

此處使用以下基本設(shè)置演示了動態(tài)范圍與電流消耗的權(quán)衡：MCLK = 32.768 MHz，低紋波通帶濾波器（“磚墻”），每種模式的數(shù)據(jù)速率為128 kSPS，數(shù)字化50 kHz的輸入帶寬，輸入正弦波為?0.5 dB，比滿量程低0.5 dB。圖1和圖2顯示了ADC性能的比較：模擬輸入正弦波的出色低失真數(shù)字版本。切換到中值模式可以降低電流消耗，從而將噪聲和動態(tài)范圍降低3 dB。

在經(jīng)典的51.2 kHz測量帶寬中，用戶可以選擇降低電流或最大化ADC的動態(tài)范圍。功率調(diào)節(jié)不僅適用于ADC，而且在ADC之前對驅(qū)動放大器電路也存在連鎖反應(yīng)。如圖3所示，該子系統(tǒng)還包括一個驅(qū)動放大器，通常包括用于抗混疊的信號調(diào)理。

圖3.ADC子系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)：驅(qū)動器放大器的占位面積可以重新填充低電流放大器，同時對ADC進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。

可以選擇具有不同功耗的放大器與每種功率模式配對。該表說明，快速模式的初始設(shè)計可以在以后進(jìn)行擴(kuò)展，以便在具有相同基本尺寸的中值或節(jié)能模式下使用，但重新調(diào)整用途以降低電流消耗。

縮放到具有中值模式的較低功率放大器有助于進(jìn)一步降低電流消耗。在中值模式下使用ADA4807-2或ADA4940-1的性能如圖4和圖5所示，在50 kHz輸入帶寬內(nèi)對交流和直流進(jìn)行數(shù)字化處理時。

圖4.中值模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4807-2驅(qū)動ADC預(yù)充電模擬輸入緩沖器導(dǎo)通時的性能。

圖5.中值模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4940-1驅(qū)動ADC預(yù)充電模擬輸入緩沖器導(dǎo)通時的性能。

能夠調(diào)整和調(diào)整測量子系統(tǒng)的功耗有兩個好處。首先，嵌入式功率調(diào)節(jié)靈活性允許動態(tài)靈活性，以改善測量范圍或測量持續(xù)時間（例如，如果模塊由電池供電）。其次，它允許創(chuàng)建基本平臺設(shè)計，可以針對特定的測量帶寬和性能點進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，以便開發(fā)定制儀器以滿足確切的最終客戶測量挑戰(zhàn)。

軟件可配置的輸入帶寬和延遲 — 將其應(yīng)用于通道組

除了使用AD7768調(diào)整ADC的電流消耗和動態(tài)范圍外，還存在可配置的濾波功能，可根據(jù)測量情況進(jìn)行調(diào)整。磚墻、低紋波濾波器非常適合在寬頻率范圍內(nèi)提供增益精度。它們的缺點是積分/平均時間長。因此，AD7768的群延遲相對較大，在34個數(shù)據(jù)周期范圍內(nèi)，然后才能看到模擬輸入的數(shù)字化版本。給出相對時間尺度，在250 kSPS的快速模式下運(yùn)行，每個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換周期為4 μs，因此群延遲為136 μs。在控制環(huán)路或可能重視快速響應(yīng)而不是頻率增益精度的應(yīng)用中，這可能是不能容忍的。為了能夠?qū)崿F(xiàn)控制環(huán)路的高動態(tài)范圍測量，可以使用sinc5濾波器。相對于寬帶濾波器，該路徑將群延遲降低了10倍。

AD7768的一個有用功能是，它可以允許用戶在通道之間混合使用濾波器類型。每個ADC可以分配給兩組通道之一。然后，可以將每個組分配給兩個濾波器之一，并通過六個可用抽取率之一設(shè)置其速度。此功能允許在八個ADC內(nèi)完成不同的測量類型，并允許通過軟件設(shè)置進(jìn)行配置，類似于每個ADC分立的情況。一個示例場景是，在監(jiān)控重要工業(yè)資產(chǎn)時，用戶可能希望測量4 mA至20 mA變送器或電壓輸出變送器的直流輸出，同時測量另一個模擬輸入通道上的振動傳感器。直流響應(yīng)可以從變送器讀取并饋送到控制環(huán)路，同時在單獨的同步通道上測量振動。輸入帶寬和延遲能力的混合是創(chuàng)建用于工業(yè)環(huán)境的定制高價值儀器的基礎(chǔ)：一臺儀器在一個系統(tǒng)上同時執(zhí)行運(yùn)行過程變量和集成工廠振動信息的雙重功能。

圖6.比較sinc5濾波器與寬帶濾波器的群延遲。Sinc5 可快速響應(yīng)模擬輸入上的輸入變化，適用于控制環(huán)路應(yīng)用，其中最小化環(huán)路延遲是關(guān)鍵。綠點表示群延遲時間的樣本，粉點表示每個濾波器的最終建立值。

圖7.為不同的濾波器類型配置不同的ADC通道。兩組：A采用寬帶，B為新頻。每個組的抽取率也可以通過SPI進(jìn)行配置。

高性能、可擴(kuò)展的高速和低功耗可實現(xiàn)現(xiàn)代外形和用例

從大型固定式儀器儀表到更具移動性和靈活性的設(shè)備不斷流行。它們?yōu)閺V泛的行業(yè)、市場和應(yīng)用中的高級開發(fā)和創(chuàng)新提供了寶貴的潛力。雖然存在動態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗等挑戰(zhàn)，但先進(jìn)的ADC正在幫助緩解這些挑戰(zhàn)，并為設(shè)計人員提供比以前功能更強(qiáng)大的工具。

審核編輯：郭婷