Nach Generationen individueller Benchtop-Test- und Messinstrumenten gibt es mittlerweile einen Übergang zu tragbaren Instrumenten mit höherer Vielseitigkeit, Software-Steuerung und kleineren Formfaktoren. In diesem Artikel erfahren Sie, wie die neue Komponententechnologie mit mittleren Bandbreiten von Analog Devices eine neue Generation mobiler Hochleistungsinstrumentierung ermöglicht.
Anwendungsbereiche
Ein modulares Plattforminstrument mit hohem Dynamikbereich ist so etwas wie das Maßband des 21. Jahrhunderts. Das Instrument bietet die erforderliche Messkapazität zur Förderung von Innovation, Forschung und Entwicklung in einem breiten Spektrum von Fachgebieten.
- Getestet wird in Forschung und Entwicklung der Materialwissenschaft, z. B. der Strukturanalyse aller möglichen Bauteile wie den Rotorblättern eines Windgenerators bis zur einwandfreien Funktion und der elektrischen Ausgangsleistung dessen Turbine.
- Messung der Ausgänge von Dehnungs-/piezoelektrischen Aufnehmern, Konditionierung derer Spannungen und Einrichtung einer quantitativen Analysemöglichkeit für strukturelle Zustandsüberwachung und Materialentwicklung, und die Möglichkeit deutlicher Messungen ohne nennenswerte Störungen.
- Messungen für Innenraumgeräusche in Fahrzeugen. Die Digitalisierung der Ausgabe von Mikrofonen, die während der Prototypentwicklung in der Fahrzeugkabine platziert werden, bis hin zur Ermöglichung schnellerer, genauerer Regelkreise, die den Produktionsdurchsatz in der Werkshalle erhöhen.
- Elektrische Tests:
- Audiomessungen für die Entwicklung fortschrittlicher Mikrofonmodule und Lautsprecher für die sprachgesteuerte Steuerung und Bedienung.
- Elektrische Tests innerhalb ATE sowohl für passive als auch aktive Elektronik, wobei die parametrische Messgenauigkeit und Geschwindigkeit die Kosten der Testreihe bestimmen.
- Das EEG benötigt einen extrem hohen Dynamikbereich über eine bestimmte Bandbreite nahe dem Gleichstrom. Eine geringere Leistung ist erforderlich, um viele Hunderte von gleichzeitigen Messkanälen in einen kleinen Formfaktor zu packen.
Diese weit gefassten Anwendungen besitzen ebenso große Unterschiede hinsichtlich der Kanalanzahl. Standard 8-Kanal-Module in industriellen Anwendungen erstrecken sich über 512 Kanäle und mehr für eine EEG-Messung. Die Skalierungsmöglichkeit der Front-End-Messeinrichtung auf eine hohe Kanalanzahl bei Erhalt der gleichzeitigen Probenahme ist der Schlüssel zum Erfolg. Dies ist die Grundlage für die Daten, die eine Generation aus Forschung, Entwicklung, Produktion und Betrieb begleitet.
Die Erschaffung kleinerer Formfaktoren bei Erhalt der Kanaldichte erfordert Leistungseffizienz. Eine Erhöhung des Dynamikumfangs der Analog-Digital-Wandler (A/D-W) und der vorangehenden Signalkette auf 110 dB bei gleichem Stromverbrauch ist ein anstrengender Kampf. Eine Ausgewogenheit der Parameter Dynamikumfang, Eingangsbandbreite und Stromverbrauch herzustellen ist nicht leicht.
Ein neues A/D-W-Subsystem, gestützt durch die Fähigkeiten des AD7768 und des AD7768-4 wurde erschaffen. Es bietet die Fähigkeit, größere Bandbreiten mit höherer Genauigkeit als bisher zu digitalisieren, und dies mit hoher Messwerttreue und synchronisiertem Sampling auf mehreren Kanälen. Es bietet auch Tools zur Verringerung thermischer Anforderungen und um die richtige Balance zu treffen aus Dynamikumfang, Eingangsbandbreite und Stromverbrauch in modularem Systemdesign und mit hohem Dynamikumfang.
Umkonfigurierbare thermische Eigenschaften, softwareprogrammierbare Messbandbreite
Der AD7768 kann sich an die Messsituation anpassen. Hitze, geringerer Luftraum und die Abwesenheit aktiver Kühlung sind alles Einschränkungen für modulare Instrumente, die der AD7768 bewältigt durch integrierte Betriebsmodi FAST, MEDIAN und ECO für die Leistungsskalierung. Bei gegebener Eingangsbandbreite kann der Anwender entscheiden, ob er viel oder weniger Leistung verbrauchen möchte, um die Wärme innerhalb des Moduls zu verringern. Ein Beispiel wäre die Digitalisierung einer Eingangsbandbreite von 51,2 kHz. Eine solche Bandbreite ist typisch für die FFT-basierte Analyse, da sie eine ganzzahlige Binärgröße bei der FFT-Ausgabe liefert. Der AD7768 besitzt einen digitalen Brick-Wall-Filter, der genau die geforderte Eingangsbandbreite durchlässt. Ein niedrigwelliges Passband und ein steiles Übergangsband sind kombiniert mit voller Dämpfung bei Frequenzen eben oberhalb 51,2 kHz, daher gibt es keine Störungen im Bereich der Nyquist-Frequenz. Beim AD7768 kann der Anwender wählen, ob er ihn im FAST- oder MEDIAN-Modus betreiben möchte. Die Entscheidung liegt zwischen Stromverbrauch und Dynamikbereich, je nachdem, was für das System die größte Einschränkung darstellt. Werfen wir einen Blick darauf:
Abbildung 1. Digitalisierung mit 50 kHz Eingangsbandbreite. Leistung im schnellen Modus, FFT mit ADA4896-2-Ansteuerung. (AD7768 im schnellen Modus mit dec × 64 ergibt eine Ausgaberate von 128 kSPS) analoge Eingangspuffer vorladen EIN.
Abbildung 2. Digitalisierung mit 50 kHz Eingangsbandbreite. Leistung im mittleren Modus, FFT mit ADA4896-2-Ansteuerung. (AD7768 im mittleren Modus mit dec × 32 ergibt eine Ausgaberate von 128 kSPS) analoge Eingangspuffer vorladen EIN.
Der Kompromiss zwischen Dynamikbereich und Stromverbrauch wird hier anhand der folgenden Grundeinstellungen demonstriert:
MCLK = 32,768 MHz, Bandpassfilter mit geringer Welligkeit („brick wall“), 128 kSPS Datenrate für jeden Modus, Digitalisierung von 50 kHz Eingangsbandbreite mit einer 1-kHz-Eingangssinuswelle bei −0,5 dB unter dem Skalenendwert. Abbildung 1 und Abbildung 2 zeigen einen Vergleich der A/D-W-Leistung: eine außergewöhnlich gering verzerrte digitale Ausgabe der analogen Sinuswelle am Eingang. Durch Umschalten in den Median-Modus wird ein geringerer Stromverbrauch möglich, während der Rauschanteil und somit der Dynamikumfang um 3 dB abnimmt.
Tabelle 1. Digitalisierung und Erstellung einer FFT für 51,2 kHz-Bandbreite. Wählen Sie zwischen höchstem Dynamikumfang und niedrigstem Stromverbrauch.
1 Beachten Sie, dass einige Anbieter diesen Wert als SNR (Signal-/Rauschabstand bei kurzgeschlossenem Eingang) angeben. AD7768-Tests mit einer vollen Sinuswelle, unter Ausnutzung des vollen Referenzbereichs für echtes SNR.
2 Enthält vorgeladene analoge Eingangspuffer. Vorgeladene Puffer verringern den analogen Eingangsstrom gegenüber der Amplitude am Eingang und erleichtern die Arbeit des den analogen Eingängen vorgeschalteten Verstärkers. Der AD7768 liefert einen deutlichen Vorteil hinsichtlich Verzerrung bei eingeschalteten Pre-Charge-Puffern.
Bei einer klassischen Messbandbreite von 51,2 kHz kann der Anwender wählen, ob er den Strom verringern oder den Dynamikumfang des A/D-W maximieren möchte. Die Leistungsskalierung gilt nicht nur für den A/D-W, es gibt auch einen Dominoeffekt für die Schaltung des Eingangsverstärkers vor dem A/D-W. Wie in Abbildung 3 gezeigt enthält das Subsystem auch einen Treiberverstärker, der die Signalkonditionierung für Anti-Aliasing mit einschließt.
Abbildung 3. Leistungsskalierung des A/D-W-Subsystems: Der Treiberverstärker kann mit Verstärkern geringeren Strombedarfs besetzt werden, aufgrund der Leistungsskalierung des A/D-W.
Eine Auswahl von Verstärkern mit unterschiedlichem Stromverbrauch kann jedem der Modi zugeordnet werden. Die Tabelle zeigt, dass ein anfängliches Design für den FAST-Modus später für die Modi MEDIAN oder ECO skaliert werden kann mit gleicher Größe, aber ausgelegt auf geringeren Stromverbrauch.
Tabelle 2. Zuweisung von A/D-W-Leistungsmodi für effektive Treiberverstärkerlösungen
Skalierung auf einen Verstärker mit geringerem Strombedarf im Median-Modus hilft, den Stromverbrauch zusätzlich zu verringern. Die Leistung mit einem ADA4807-2 oder ADA4940-1 im Median-Modus wird in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt, bei Digitalisierung von Wechsel- und Gleichspannung über 50-kHz-Eingangsbandbreite.
Abbildung 4. Leistung im mittleren Modus, FFT mit ADA4807-2-Ansteuerung, der den analogen Eingangspuffer des A/D-W vorlädt (ON).
Abbildung 5. Leistung im mittleren Modus, FFT mit ADA4940-1-Ansteuerung, der den analogen Eingangspuffer des A/D-W vorlädt (ON).
Die Möglichkeit, den Stromverbrauch des Messsubsystems einzustellen und zu skalieren, bietet zwei Vorteile. Erstens ermöglicht die eingebettete Leistungsskalierung On-the-fly-Flexibilität, um entweder den Messbereich oder die Messdauer zu verbessern (z. B. wenn das Modul von einer Batterie gespeist wurde). Zweitens kann eine Basisplattform entwickelt werden, die für bestimmte Messbandbreiten und Leistungspunkte eingestellt und angepasst werden kann, sodass ein kundenspezifisches Instrument entwickelt wird, das die Messanforderungen des Endkunden genau erfüllt.
Software-konfigurierbare Eingangsbandbreite und Latenz – und deren Anwendung auf Kanalgruppen
Der AD7768 lässt sich nicht nur zur Skalierung von Stromverbrauch und Dynamikumfang des A/D-W verwenden, es lassen sich außerdem Filter konfigurieren, die an die Messsituation angepasst sind. Brickwall-Filter mit geringer Welligkeit sind hervorragend geeignet für höhere Verstärkungsgenauigkeit in einem weiten Frequenzbereich. Der Nachteil ist die lange Integrations-/Durchschnittsbildungszeit. Im Ergebnis ist das Gruppen-Delay beim AD7768 relativ groß und liegt im Bereich von 34 Datenzyklen, bevor Sie die digitalisierte Version der analogen Eingabe sehen können. Um dafür einen Zeitrahmen anzugeben: Im FAST-Modus bei 250 ksps beträgt jeder Datenkonvertierungszyklus 4 μs (Mikrosekunden), das Gruppen-Delay beträgt also 136 μs. Dies könnte in Regelkreisen nicht tolerierbar sein, oder bei Anwendungen, bei denen schnelle Reaktion wichtiger als Verstärkungsgenauigkeit oder Frequenzgenauigkeit ist. Um diese Messungen mit großem Dynamikumfang für Regelkreise zu ermöglichen, wird der Sinc-5-Filter verwendet. Dieser Pfad verringert das Gruppen-Delay um den Faktor 10 in Bezug auf den Breitbandfilter.
Eine hilfreiche Fähigkeit des AD7768 besteht darin, dass er gemischte Filtertypen auf den verschiedenen Kanälen erlaubt. Jeder A/D-W kann einer von zwei Kanalgruppen zugewiesen werden. Jede Gruppe kann dann einem der beiden Filter zugewiesen und die Geschwindigkeit auf eine der sechs verfügbaren Dezimationsraten festgelegt werden. Diese Funktionalität erlaubt es, verschiedene Messarten in den acht A/D-Ws auszuführen und sie per Software zu konfigurieren, ähnlich einer Situation, in der A/D-W noch diskret aufgebaut waren. Ein Beispielszenario ist die Überwachung eines wichtigen industriellen Assets. Der Anwender möchte den Gleichspannungsausgang eines 4–20-mA-Transmitters oder Spannungsausgangs-Transmitters zur gleichen Zeit messen, in dem ein Vibrationssensor auf einem anderen analogen Eingangskanal gemessen werden soll. Die DC-Reaktion kann vom Transmitter gelesen und zum Regelkreis geführt werden, während die Vibration auf einem separaten, jedoch simultanen Kanal gemessen wird. Diese Fähigkeit der Mischung von Eingangsbandbreite und Latenz eröffnet die Möglichkeit maßgeschneiderter, hochwertiger Instrumentierung in einem industriellen Umfeld: ein Messgerät, das die beiden Funktionen der Prozessvariablen und der Integration von Vibrationsinformationen der Anlage erfüllt, und das alles auf einem System, und zwar gleichzeitig.
Abbildung 6. Vergleich der Gruppenlaufzeit des Sinc-5-Filters mit Breitbandfilter. Sinc 5 bietet eine schnelle Reaktion auf Änderungen am Analogeingang, geeignet zur Steuerung von Regelkreisen, bei denen die Minimierung der Regelkreislatenz das Wichtigste ist. Der grüne Punkt repräsentiert das Sample zur Gruppen-Delay-Zeit, der rosafarbene Punkt zeigt den final gesetzten Wert jedes Filters an.
Abbildung 7. Konfiguration verschiedener A/D-W-Kanäle für verschiedene Filtertypen. Zwei Gruppen: A verwendet Breitband, B verwendet Sinc. Die Dezimationsrate jeder Gruppe kann auch über SPI konfiguriert werden.
Hohe Leistung mit den skalierbaren Aspekten hohe Geschwindigkeit und geringer Stromverbrauch ermöglichen moderne Formfaktoren und Anwendungsfälle
Der Übergang von größeren, stationären Instrumentierungen zu mobilen und flexiblen Geräten gewinnt immer mehr an Popularität. Sie bieten wertvolles Potential für fortschrittliche Entwicklung und Innovation in vielen verschiedenen Branchen, Märkten und Anwendungsbereichen. Während Herausforderungen wie Dynamikumfang, Eingangsbandbreite und Stromverbrauch weiterhin bestehen, helfen fortschrittliche A/D-Ws, diese abzumildern und geben den Designern ein Tool mit besseren Fähigkeiten als zuvor in die Hand.
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