Nach Generationen individueller Bench-Top-Instrumentierung gibt es mittlerweile einen Übergang zu modularen Instrumenten mit höherer Vielseitigkeit, Software-Steuerung und geringerer Standfläche. Der geringere Stromverbrauch, bei gleichzeitiger Erfüllung der Ziele hinsichtlich Rausch- und Messgenauigkeit bleibt jedoch eine Herausforderung.
Ein Teil der Änderung bezieht sich auf Mobilität. Die großen individualisierten und rack-basierten Systeme sind in logistischer Hinsicht eingeschränkt. Die Aufteilung von Gehäuse-/Desktop-Equipment in kleinere Einheiten ermöglicht eine individuelle Konfiguration und optimiert die Instrumente für die Arbeitsumgebung und Lage des Prüfstands oder der Einrichtung. Durch Verbesserung der Mobilität der Messknoten verringert sich die Verkabelung zu den Messwertgebern und vermeidet viele Anschlusskabel an den richtigen Eingängen in einem großen Rack – zusammengenommen minimiert dies die Probleme bei der Messplatzinstallation. Trotz den veränderten Formfaktoren bleiben die Anforderungen optimaler Testleistung, Sicherheit und Genauigkeit bestehen.
Anwendungsbereiche
Ein Messinstrument auf einer modularen Plattform mit hohem Dynamikumfang kann als „das Maßband des 21. Jahrhunderts“ angesehen werden – angesichts der fortgeschrittenen Entwicklung und den Innovationen in einer Vielzahl von Branchen.
• 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-/Piezo-Aufnehmern, Konditionierung derer Spannungen und Einrichtung einer quantitativen Analysemöglichkeit für strukturelle Zustandsüberwachung und Materialentwicklung, und die Möglichkeit deutlicher Messungen ohne nennenswerte Störungen.
• Messungen für Lärmpegelanwendungen in Fahrzeugkabinen, die während der Prototypentwicklung für die Platzierung von Mikrofonen zur Digitalisierung dienen, bis hin zu schnelleren und genaueren Regelkreisen zur Erhöhung des Produktionsdurchsatzes in der Werkshalle.
• Elektrische Tests:
- Audiomessungen für die Entwicklung fortschrittlicher Mikorofonmodule 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.
• Kartierung von Nervenbahnen und Messung elektrischer Signale zum Sammeln von Hirninformationen. Hier wird sicherlich eine geringere Bandbreite, aber höherer Dynamikumfang, geringe Leistung und kleinere Bauform gefordert.
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 Gehäuse 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 Dynamikumfang. Er wählt also aus, welcher Parameter kritischer ist für das System. Werfen wir einen Blick darauf:
MCLK = 32,768 MHz, Passbandfilter mit geringer Welligkeit („Brick Wall“), 128 ksps Datenübertragungsrate in jedem Modus, digitalisiert 50 kHz Eingangsbandbreite, wobei eine zugeführte Sinuswelle von 1 kHz bei –0,5 dB von der Gesamtbandbreite liegt. Abb. 1 und Abb. 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.
1Beachten 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.
2Enthält 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 Abb. 3 gezeigt enthält das Subsystem auch einen Treiberverstärker, der die Signalkonditionierung für Anti-Aliasing mit einschließt.
Abb. 3. Leistunsskalierung 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 ADA4907-2 oder ADA4940-1 im Median-Modus wird in Abb. 4 und 5 dargestellt, bei Digitalisierung von Wechsel- und Gleichspannung über 50 kHz-Eingangsbandbreite.
Durch die Möglichkeit, den Stromverbrauch des Subsystems für die Messung abstimmen und skalieren zu können, eröffnet zwei Vorteile: integrierte Flexibilität der Leistungsskalierung und die Fähigkeit, ein Basis-Plattform-Design zu entwerfen, das sich an verschiedene Leistungsbandbreiten, Leistungsmerkmale und End-Measurement-Märkte anpassen lässt.
Software-konfigurierbare Eingangsbandbreite und Latenz, and 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 us (Mikrosekunden), das Gruppen-Delay beträgt also 136 us. 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-Filterpfad verwendet.
Dieser Pfad verringert das Gruppen-Delay um den Faktor 10 in Bezug auf den Breitbandfilter.
Abb. 4. 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.)
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-Wandlern auszuführen und sie per Software zu konfigurieren, ähnlich einer Situation, in der A/D-Wandler 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, mehr als nur ein Durchlaufen der Prozessvariablen, sondern ausgewogene Integration durch Unterlegung der Informationen über die Vibrationen am Arbeitsplatz.
Abb. 5. 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 Bauformen 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.
Über den Autor
Michael Clifford ist Mitglied des „Linear and Precision Technology“-Anwendungsteams bei Analog Devices Inc. (Limerick, Ireland). Er arbeitet seit 2004 für Analog Devices und beschäftigt sich hauptsächlich mit Analog-Digital-Präzisionskonvertern, insbesondere solche mit Sigma-Delta-Topologie sowohl für DC- als auch AC-Präzisionsmessungen. Er hält einen Bachelor’s Degree in Electrical and Electronic Engineering (BEEE) des University College Cork (UCC).