Анализ и решение проблем с фиксированной частотой в высокоточных цепях сигналов adc

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Анализ и решение проблем с фиксированной частотой в высокоточных цепях сигналов ADC

Текущие АЦП SAR с высоким разрешением и АЦП Σ-Δ обеспечивают высокое разрешение и низкий уровень шума, но разработчикам системы может быть сложно достичь характеристик SNR с номинальной характеристикой. Еще труднее добиться оптимального SFDR, т. Е. Четкого уровня шума без шпоры в цепочке сигналов системы. Шпоры могут быть введены неправильной схемой вокруг АЦП или могут быть результатом внешних помех, возникающих в суровых условиях эксплуатации.

В этой статье будут представлены подходы к определению коренных причин возникновения проблем в высокоточных решениях ADC и решениях для их решения. Эти методы и методы помогут улучшить возможности и надежность ЭМС конечной системы.

В этой статье будут рассмотрены пять различных случаев применения конкретных дизайнерских решений для сокращения шпоры:

1. Проблемы, возникающие из-за излучения источника постоянного тока от постоянного тока от платы контроллера.
2. Проблемы, возникающие из-за шума адаптера переменного тока через внешнюю ссылку.
3. Проблемы, вызванные аналоговым входным кабелем.
4. Проблемы, возникающие из-за помех, связанных с аналоговым входным кабелем.
5. Проблемы, вызванные освещением помещения.

Шпоры и SFDR

Как известно, беспроблемный динамический диапазон (SFDR) представляет собой наименьший сигнал мощности, который можно отличить от большого мешающего сигнала. Для токовых АЦП с высоким разрешением в SFDR обычно доминирует динамический диапазон между основной частотой и второй или третьей гармониками основной интересующей частоты. Тем не менее, есть шпоры, которые могут произойти и ограничить производительность из-за других аспектов системы.

Шпоры можно классифицировать как зависящие от входной частоты шпоры и шпоры фиксированной частоты. Частотно-зависимые шпоры связаны с гармоническими или нелинейными характеристиками. Эта статья будет посвящена фиксированным частотным шпорам, которые вызваны источниками питания, внешними ссылками, цифровым интерфейсом, внешними помехами и т. Д. Основываясь на приложении, эти типы шпоров можно либо полностью уменьшить, либо избежать, чтобы помочь достичь максимальной производительности цепочки сигналов.

Проблемы с помехами, вызванные встроенным шумом питания DC-DC

Как правило, LDO - это предлагаемое решение для создания шин с низким уровнем шума для прецизионных АЦП в прецизионных измерительных системах из-за более высокого пульсационного шума регулятора dc-to-dc. Регуляторы с фиксированной частотой или широтно-импульсной модуляцией обеспечивают пульсацию переключения, которая обычно находится на фиксированной частоте в диапазоне от десятков до нескольких МГц. Шум на фиксированной частоте может подаваться в коды преобразования АЦП через механизм PSRR АЦП.

Некоторые дизайнеры могут использовать регуляторы постоянного тока постоянного тока для прецизионных приложений АЦП из-за ограниченного бюджета или пространства на плате. Они должны ограничить шум пульсации или использовать АЦП с высоким уровнем PSRR, чтобы убедиться, что шум пульсации ниже уровня шума АЦП для достижения эффективности цепочки сигналов. В противном случае на частоте коммутации в выходном спектре АЦП могут возникать шпоры, что может ухудшить динамический диапазон цепочки сигналов.

AD7616 - это 16-разрядный DAS, который поддерживает двух одновременную выборку из 16 каналов для мониторинга линии электропередач. Он имеет очень высокий PSRR и отлично справится с отказом / ослаблением пульсации переключения. Например, для AD7616 используется импульсный источник постоянного тока с частотой 100 мВ pp с частотой 100 кГц, VCC 5 В с входным диапазоном ± 10 В.

Шум цифрового кода, вызванный шумом пульсации:

Этот уровень пульсации, отображаемый на выходе АЦП, чрезвычайно мал для 16-битного преобразователя. Высокая производительность PSRR в АЦП позволяет использовать переключающие регуляторы в системах точного измерения.

Рисунок 1. AD7616 PSRR против частоты пульсаций

Избегайте проблем, связанных с источником питания DC-DC

Использование высокочастотного АЦП PSRR не гарантирует, что переключающие регуляторы не вызовут проблем в системах точных измерений. Шум пульсации от переключающих регуляторов может поступать в цифровые коды АЦП другими способами.

AD4003 - малошумный, малый, высокоскоростной 18-разрядный, 2 MSPS-АЦП. Во время тестирования производительности оценочной платы EVAL-AD4003FMCZ на уровне около -115 dBFS было обнаружено около 277, 5 кГц; шпора и ее вторая гармоника появились, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Задача Spur, как показано на EVAL-AD4003FMCZ eval board

Во-первых, было подтверждено, что источники питания AD4003 не вызывали шпоры.

Затем были проведены тесты, чтобы определить, поступали ли шпоры с аналогового входа.

1. Шпоры уменьшились, когда схема дифференциального аналогового ввода была удалена.
2. Шпоры уменьшались, когда RC-фильтр с узкой полосой пропускания (такой как 1 кОм, 10 нФ) был вставлен на передний конец буферного усилителя AD4003, ADA4807-1.

Эти результаты показывают, что шум, вызывающий шпоры, может проходить через схему кондиционирования и в аналоговые входы AD4003. Затем выход датчика был отключен, и схема кондиционирования была удалена, оставив только вход VREF / 2 CM на неинвертирующем входе ADA4807-1. Однако шпоры остались и на таком же уровне.

Затем было установлено, что источник помех расположен вокруг сигнальной цепи EVAL-AD4003FMCZ. Чтобы это доказать, в разных местах на плате EVAL-AD4003FMCZ и на плате контроллера SDP-H1 размещался экран из медной фольги. Было установлено, что, когда защитный экран из медной фольги размещен над источниками питания постоянного тока на плате SDP-H1, как показано на рисунке 3, шпоры исчезнут. Частота вращения шпинделя 277, 5 кГц соответствует запрограммированной частоте переключения регулятора ADP2323. На рисунке 4 показана мощность частоты переключения VADJ_FMC 3, 3 В, как показано в EVAL-AD7616SDZ GUI FFT.

Рисунок 3. Индуктор VADJ_FMC L5, покрытый экраном из медной фольги

Рисунок 4. Волновая пульсация VADJ_FMC 3.3 V, захваченная EVAL-AD7616SDZ GUI FFT

Был сделан вывод о том, что интерференция частоты переключения постоянного тока к постоянному току испускалась индуктором 8.2 мкГн, L5. Интерференция вводилась в сигнальную цепь на входе буферного усилителя ADA4807-1, где затем переходила в аналоговый вход AD4003 ADC.

Возможные решения этой проблемы, вызванные преобразователем мощности dc-dc:

1. Используйте фильтр нижних частот на переднем конце AD4003 ADC, чтобы уменьшить частотную интерференцию промежуточных импульсов постоянного тока до уровня, который соответствует цели проектирования (то есть, spur похоронен в шумовом полу), если пропускная способность приложения позволяет это,
2. Используйте новую плату SDP-H1 (BOM Rev 1.4), в которой используется экранированный индуктор для L5. Мощность излучаемой помехи уменьшается, поэтому шпоры, захваченные в спектре AD4003 ADC, значительно ниже.
3. Уровень напряжения VADJ_FMC может быть запрограммирован EEPROM на плате EVAL-AD4003FMCZ. Было обнаружено, что использование более низкого уровня напряжения, такого как 2, 5 В для VADJ_FMC, также вызвало исчезновение шпоры.

Проблемы с перенапряжением, вызванные адаптацией переменного тока к постоянному току

АЦП квантование аналогового сигнала в цифровой код, как указано постоянного уровня опорного напряжения АЦП. Поэтому шум на эталонном входе постоянного тока будет напрямую подаваться на выходные цифровые коды АЦП.

AD7175-2 представляет собой малошумный, быстро устанавливаемый, мультиплексированный 2- / 4-канальный (полностью / псевдодифференциальный) Σ-Δ АЦП для входов с низкой пропускной способностью. Во время тестовой цепи оценочной платы EVAL-AD7175SDZ был взят кластер шпоры около 60 кГц, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Задача Spur, как показано на EVAL-AD7175-2SDZ eval board

Адаптеры питания и схемы аналогового кондиционирования AD7175-2 были оценены и признаны хорошими. Однако, как показано на рисунке 6, 5 В опорном входе в AD7175-2 формируется путем ссылкой ADR445, который подается на 9 В постоянном токе от адаптера переменного тока в постоянный ток, который является внешним по отношению к оценочной плате. Затем для адаптера был заменен блок питания 9 В постоянного тока. В результате кластер шпоры исчез, оставив лишь узкую шпору при 60 кГц.

Рисунок 6. Задача Spur на EVAL-AD7175-2SDZ

Рисунок 7. Скопление шпор, удаленных на EVAL-AD7175-2SDZ

Адаптер переменного тока с напряжением 9 В был протестирован с помощью EVAL-AD7616SDZ GUI FFT при поставке платы EVAL-AD7175-2SDZ с токовым выходом 320 мА. Мощности частота коммутации при включении питания опорного штифта ADR445 составляет около -70 DBFs с AD7616 диапазоне ± 10 В, что означает 6.325 мВ или -64 С. DBFs на интервале V вход AD7175-2 ± 5.

Рисунок 8. 3.3 V VDJ_FMC пульсация, захваченная EVAL-AD7616SDZ GUI FFT

Этот шум пульсации мощности подается на ADC177-2-2 ADC и отображается в цифровых кодах с некоторым ослаблением, как указано ниже:

1. В техническом паспорте справочника ADR445 указан PSRR 49 дБ при 60 кГц.
2. Выходное сопротивление эталонного ADR445 составляет около 4, 2 Ω при 60 кГц. Он сочетается с крышками резервуара 4, 8 мкФ, что дает еще 18 дБ внимания.
3. Кроме того, цифровой фильтр AD7175-2 ADC sinc5 + sinc1 добавляет около 3, 3 дБ ослабления на частоте 60 кГц, когда ODR составляет 256 кСPS.

Этот расчетный уровень -134 dBFS очень близок к уровню захваченного кластера шунгов -130 dBFS (не включая самый высокий узкий шпоры), показанный на рисунке 5. Это проверяет, что кластер шпоров вызван ac-to-dc переключение пульсаций адаптера через внешнюю ссылку ADR445. Оставшаяся узкая шпора будет разрешена в следующем разделе.

Проблемы, вызванные помехами, вводимыми в сигнальную цепочку

В аппаратной системе обычно есть длинная сигнальная цепь от входного датчика до входа прецизионных преобразователей. Эта сигнальная цепь включает в себя соединительные кабели, разъемы, провода прокладки, схемы масштабирования и кондиционирования, драйверы АЦП и многое другое. Существует большой потенциал для внешних помех для ввода в цепь аналогового входного сигнала и причиной срабатывания АЦП.

Проблемы, возникающие при воздействии силового кабеля в цепочку сигналов

Во время исследования оставшейся узкой шпоры на спектральном выходе оценочной платы EVAL-AD7175-2SDZ было замечено, что на стенде работает цифровой осциллограф. Как показано на рисунке 9, кабель питания 220 В переменного тока (черный) перекрывал аналоговый входной кабель EVAL-AD7175-2SDZ EVB (серый). Когда осциллограф был выключен или его силовой кабель физически отодвинут от аналогового входного кабеля, узкая шпора на 60 кГц исчезла, как показано на рисунке 10.

В системном шкафу следует соблюдать осторожность при прокладке кабелей с датчика на плату DAQ. Хорошей практикой является сохранение чувствительных к низкоуровневому аналоговому сигналу от высоковольтных линий электропередач.

Рисунок 9. Шпоры, вызванные кабелем питания осциллографа

Рисунок 10. Все шпоры удалены на EVAL-AD7175-2SDZ

Проблемы, вызванные излучением лампы

В ходе тестирования оценочной платы EVAL-AD7960FMCZ появился спектр FFT. Как показано на рисунке 11, уровень шпоры составлял около -130 дБ на частоте 40 кГц.

40 кГц, казалось, не были связаны ни с одной из частот сигнала, которые появляются на плате EVAL-AD7960FMCZ и на ее плате контроллера SDP-H1. Следующий подход к поиску источника шпоры заключался в том, чтобы очистить стенд на случай, если возникло нечто, создающее внешние помехи. Когда флуоресцентный свет на скамейке был выключен, шпоры исчезли. Кроме того, было обнаружено, что по мере приближения платы EVAL-AD7960FMCZ к свету, ускорение 40 кГц будет выше. Дополнительный RC-фильтр (например, 1 кОм, 10 нФ) размещался на передней стороне буферного усилителя ADA4899-1, а шпора уменьшалась примерно на 10 дБ. Это означало, что флуоресцентный свет излучал возмущение в цепи сигнальной цепи на передней части неинвертирующего входа буферного усилителя.

Для систем, работающих в освещенной среде, установка защитного кожуха над интерфейсной схемой может помочь защитить его от излучающих помех и оптимизировать работу сигнальной цепи.

Рисунок 11. Шпоры на EVAL-AD7960FMCZ люминесцентным освещением

Рисунок 12. Флуоресцентное освещение вблизи платы EVAL-AD7960FMCZ

Проблемы с задержкой, вызванные длинным аналоговым входным кабелем

Во время оценки платы EVAL-AD4003FMCZ генератор сигналов AP SY2712 использовался для передачи малошумящей и низкочастотной синусоидальной волны на аналоговые входы через микрофонный кабель XLR (длиной около 2 метров). В этой установке шпора была очевидной на уровне около -125 дБ при 700 кГц, как показано на рисунке 13.

В исследовании шпора были найдены три способа его решения:

Обход двухминутного XLR-микрофонного кабеля и короткое замыкание выходного XLR-разъема AP с разъемом XLR.

Установите выходной импеданс источника сигнала SY2712 от Z-Out = 40 Ω до Z-Out = 600 Ω.

Шпора становится меньше, когда RC-фильтр с узкой полосой пропускания (такой как 1 кОм, 10 нФ) вставлен в цепочку сигналов на переднем конце буферного усилителя AD4003, ADA4807-1.

Наконец, было сделано заключение о том, что несоответствие выходного импеданса источника сигнала и длинного кабеля XLR вызвало высокочастотную шпору на частоте 700 кГц.

Рисунок 13. Поворот на EVAL-AD4003FMCZ eval борту, вызванный XLR-кабелем

Рисунок 14. AP, управляющий плате EVAL-AD4003FMCZ через длинный XLR-кабель

Вывод

В этой статье обсуждаются подходы к определению коренных причин возникновения проблем в высокоточных схемах ADC с высокой разрешающей способностью в системных приложениях. Он вводит конкретные дизайнерские решения для устранения или уменьшения шпоры в пяти различных случаях применения. В статье также рассматриваются методы расчета spur, которые помогают оценить уровень мощности spur в качестве ориентира для конкретных приложений.

Рекомендации

• Бобры, Ян. «Понимание беспроблемного динамического диапазона в широкополосных АЦП GSPS». (PDF) Analog Devices, Inc., 2014.
• Маккарти, Айн. AD7175-2 Оценочные комплекты. Analog Devices, Inc.
• Паччигар, Маитил. AD4003 Оценочные комплекты. Analog Devices, Inc.
• Уолш, Алан. «Включение прецизионного SAR-адаптера с использованием высокопроизводительного сверхвысокого коммутатора питания в приложениях с высокой чувствительностью». (PDF) Analog Devices, Inc., 2016.

Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.