Die Simulation der Signalkette für die Datenerfassung vereinfacht die Auswahl und Prüfung von Komponenten

Früher bedeutete die Entwicklung eines Datenerfassungssystems die Suche nach der richtigen Kombination von Komponenten in einem Stapel von Datenblättern und die Fehlersuche bei zusammengeschusterten Prototypen. Mit digitalen Designtools, die es ihnen ermöglichen, Modelle von Komponenten wie Sensoren, analogen Signalkonditionierungsblöcken, Analog/Digital-Wandlern (ADCs) und digitalen Filtern per Drag&Drop in eine virtuelle Signalkette zu ziehen, können Entwickler nun Zeit und Frustration sparen. Die Software simuliert den Ausgang der virtuellen Kette, so dass der Entwickler sehen kann, wie sich die gewählten Komponenten auf Ergebnisse wie Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Verstärkungs- und Offset-Fehler und Leistung auswirken.

Die digitale Design-Suite Precision Studio von Analog Devices, Inc. (ADI) enthält mit dem Signal Chain Designer (Signalkettendesigner) ein Modul, mit dem Entwickler ihre Datenerfassungssysteme simulieren können, bevor sie sie bauen. Im Signal Chain Designer wählt der Benutzer einen Sensor aus, legt die Parameter für das Modell fest und fügt dann Schaltkreisblöcke ein, die die Komponenten der Signalkette darstellen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Signalketten-Designer in ADIs Precision Studio ermöglicht es Entwicklern, einen Sensor auszuwählen und dann Schaltkreisblöcke per Drag&Drop in die Kette zu ziehen, um Datenerfassungskomponenten zu simulieren. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Das Sensorsignal muss auf seinem Weg zu zuverlässigen Daten mehrere Stufen durchlaufen, und jede Stufe besteht aus einer oder mehreren elektronischen oder integrierten Schaltkreiskomponenten (IC), die das Signal für die nächste Stufe vorbereiten. Die gängigsten Stufen verstärken das Analogsignal, filtern das Analogsignal, wandeln das Analogsignal in ein Digitalsignal um und filtern das Digitalsignal.

Analoge Signalverstärkungsstufe

Die von den Sensoren erzeugten analogen Signale entsprechen oft nicht den optimalen Eingangssignalen des Datenerfassungssystems. Die analoge Signalverstärkungsstufe verwendet Operationsverstärker (Op-Amps), Volldifferenzverstärker und Spannungsreferenzen sowie passive Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten, um das Sensorsignal in eine effiziente Form für das Datenerfassungssystem umzuwandeln.

Im Signal Chain Designer gibt der Benutzer die Eingangs- und Ausgangstypen der analogen Verstärkungsstufe, die benötigte Verstärkung und die Pegelverschiebung an, die erforderlich ist, um die richtige Eingangsspannung zu erhalten. Die Software erstellt dann unter Verwendung von ADI-Produkten eine Schaltung, die den vorgegebenen Parametern entspricht, und gibt einen Schaltplan aus.

Für den in Abbildung 1 verwendeten Sensor mit einer Impedanz von 1 kΩ bei 1 kHz und einer Kapazität von 100 pF kann der Benutzer beispielsweise eine Verstärkung von 2 V/V und eine Pegelverschiebung von 2,5 V angeben (Abbildung 2).

Abbildung 2: Benutzer des Signal Chain Designers legen die Konfiguration, Verstärkung, Pegelverschiebung und andere Parameter der analogen Signalverstärkungsstufe fest. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Auf der Grundlage dieser Parameter erstellt die Software einen Schaltplan für die analoge Signalverstärkungsstufe (Abbildung 3, oben), die den Operationsverstärker ADA4097-2 enthält. Die Operationsverstärker der Familie ADA4097-2 benötigen nur 32,5 µA pro Kanal, um ein Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt (GBP) von 130 kHz für eine große Signalspannungsverstärkung zu erreichen, mit einem Spitze-Spitze-Rauschen (_P-P) von 1000 nV zwischen 0,1 Hz und 10 Hz und einer typischen 1/f-Rauscheckfrequenz bei 6 Hz.

Die Software entwickelt auch eine Referenzschaltung für die Verstärkerstufe mit einer präzisen Bandlücken-Spannungsreferenz LTC6655B-2.5 und einem Operationsverstärker AD8510 (Abbildung 3, unten), beide von ADI.

Abbildung 3: Schaltplan der analogen Signalverstärkungsstufe des Signal Chain Designers, basierend auf Benutzerspezifikationen und unter Einbeziehung geeigneter elektronischer Komponenten von ADI. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der LTC6655B-2.5 verfügt über ein Rauschen von 625 nV_P-P (0,25 ppm_P-P) zwischen 0,1 Hz und 10 Hz, eine maximale Genauigkeit von ±0,025 % und eine geringe Spannungsdrift von maximal 2 ppm/°C, wodurch eine stabile Ausgangsspannung unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung und der Last gewährleistet ist. Der JFET-Operationsverstärker AD8510 hat ein typisches spektrales Rauschen von 8 nV bei 1 kHz, benötigt nur 25 pA Eingangsvorstrom und pendelt sich innerhalb von 500 ns auf ein Fehlerband von 0,1% ein.

Mit dem Signal Chain Designer kann der Benutzer auch festlegen, wie die Signale in diesem Stadium aufbereitet werden. Benutzer können vollständig differenzielle Verstärker, Instrumentenverstärker oder Strommessverstärker konfigurieren.

Stufe für Analogsignalfilterung

Das verstärkte Analogsignal muss anschließend gefiltert werden, um Rauschen und Verzerrungen zu entfernen, die durch die Verstärkung entstehen. Filter können mit passiven Bauteilen wie Widerständen und Kondensatoren Filter erster Ordnung bilden, die nach der Grenzfrequenz sanft um -20 dB/Dekade abfallen. Bei Filtern zweiter und höherer Ordnung handelt es sich in der Regel um aktive Filter, die einen oder mehrere Operationsverstärker verwenden, um schärfere Abschwächungen zu erzielen.

Die Konfiguration des Filters bestimmt, ob er Frequenzen oberhalb der Mittenfrequenz f₀ (Tiefpass), unterhalb von f₀ (Hochpass), außerhalb von zwei Grenzfrequenzen (Bandpass) oder außerhalb eines bestimmten Frequenzbandes (Bandsperre) dämpft. Andere Filterparameter, wie der Q-Faktor, verfeinern das Filterverhalten weiter und bestimmen die Schärfe der Abschwächungen, das Einschwingverhalten und die Form des Durchlassbereichs.

Im Signal Chain Designer kann der Benutzer die Parameter für einfache Filter konfigurieren, indem er den Filtertyp auswählt und die wichtigsten Parameter angibt. Der Filter-Assistent des Signal Chain Designers kann auch einfache Filter bis hin zu Filtern dritter und höherer Ordnung entwerfen und die Filter wieder in das digitale Signalketten-Design importieren. Im Beispiel (Abbildung 4) entscheidet sich der Benutzer für einen Tiefpassfilter mit einer f₀ von 10 kHz und einem Q-Faktor von 0,707. Das gewählte Filter vom Typ Sallen-Key verwendet einen einzelnen Operationsverstärker, der eine hohe Eingangsimpedanz akzeptiert und ein niederohmiges Signal mit guter Stabilität ausgibt.

Abbildung 4: Benutzer definieren die Parameter der analogen Filterstufe im Signal Chain Designer, einschließlich Filtertyp, f₀, Q-Faktor und Verstärkung. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Mit diesen Parametern gibt der Signal Chain Designer eine Schaltung aus, die den Rail-to-Rail-Operationsverstärker LT6020 von ADI enthält (Abbildung 5). Der LT6020 verbraucht weniger als 100 µA und kann dennoch mit einer Anstiegsrate von 5 V/µs schnell auf Änderungen des Eingangssignals reagieren. Er hat ein GBP (Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt) von 400 kHz über seinen Temperaturbereich von -40°C bis +125°C.

Abbildung 5: Der Schaltplan der analogen Signalfilterstufe, den der Signal Chain Designer ausgibt, spezifiziert einen LT6020-Operationsverstärker mit hoher Anstiegsrate und geringer Leistungsaufnahme als Tiefpassfilter zweiter Ordnung nach Sallen-Key. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Analog/Digital-Wandlungsstufe

Der letzte Schritt auf dem Weg eines Signals von der Sensorantwort zu Daten ist die Umwandlung des analogen Signals in eine digitale Form. Gängige ADC-Architekturen sind das Sukzessive Approximationsregister (SAR) für gute Auflösung bei mäßiger Abtastrate und Delta-Sigma (ΔΣ) für hohe Auflösung bei niedrigeren Abtastgeschwindigkeiten. Um die gewünschte digitale Ausgabe zu erreichen, müssen Entwickler den Eingangstyp, die Systemauflösung und die Ausgangsdatenrate kennen.

Der Benutzer legt diese Parameter im Signal Chain Designer fest, und die Software gibt einen ADC-Schaltkreis mit einer Spannungsreferenz und einem passiven resistiven/kapazitiven (RC) Filter am Eingang aus. Einige ADCs ermöglichen auch die Integration einer digitalen Filterung oder die Einstellung der ADCs in den Hochimpedanzmodus (Hi-Z) für einfachere, stromsparende Designs.

Im Beispiel (Abbildung 6) spezifiziert die Ausgabe des Signal Chain Designers die Spannungsreferenz ADR4525 von ADI und den ΔΣ-ADC AD7175-2. Der ADR4525 hat eine gute Temperaturstabilität mit Temperaturkoeffizienten zwischen 0,8 ppm/°C und 4,0 ppm/°C und ein Ausgangsrauschen von 1 µV_P-P bei 2,048 V_OUT und 0,1 Hz bis 10 Hz. Der AD7175-2 ist ein 24-Bit-ADC mit einem Durchsatz von 250.000 Samples pro Sekunde (250 kS/s) und einer Einschwingzeit von 20 µs.

Abbildung 6: In der Analog/Digital-Wandlungsstufe umfasst der Schaltplan des Signal Chain Designers einen passiven RC-Eingangsfilter, eine Spannungsreferenz und ein ADC-Modul. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

In jeder Phase der Signalkette kann der Benutzer eine Produkttabelle mit den entsprechenden alternativen Komponenten anzeigen. So kann ein Entwickler beispielsweise einen SAR-ADC wie den AD4008 anstelle des im Beispiel gezeigten ΔΣ-ADC verwenden. Der AD4008 verbraucht zwischen 70 µW bei 10 kS/s und 14 mW bei 2 MS/s, seiner maximalen Leistung. Der Pseudo-Differenzbetrieb ermöglicht eine 16-Bit-Präzision mit einem vereinfachten Design im Hi-Z-Modus.

Nach der Analog/Digital-Wandlung können Entwickler die Ausgabe optimieren, indem sie digitale Filterblöcke in das Design hinter dem ADC im Signal Chain Designer einfügen. Zu den Optionen in diesen digitalen Filterblöcken gehören Durchschnittswerte, Filter erster und zweiter Ordnung sowie einfache CIC-Filter mit gleitendem Mittelwert.

Nach dem Aufbau eines virtuellen Datenerfassungssystems mit dem Signal Chain Designer können die Benutzer Frequenzgang, Rauschen, DC-Fehlerbudget, Leistung und Eingangsbereiche innerhalb der Software simulieren. Für individuellere Simulationen kann der Signal Chain Designer virtuelle Testbenches erstellen, die in LTspice bearbeitet und ausgeführt werden können.

Fazit

Digitale Tools wie der Signal Chain Designer von ADI können das Rätselraten und die Frustration beim Aufbau eines präzisen Datenerfassungssystems auf ein Minimum reduzieren. Mit Modellen einer Vielzahl von leicht erhältlichen Operationsverstärkern, Spannungsreferenzen, ADCs und anderen Komponenten in der Software ermöglicht der Signal Chain Designer den Anwendern eine virtuelle Feinabstimmung ihrer Datenerfassungssysteme und gewährleistet so einen reibungslosen Übergang zur Anschaffung und Bereitstellung von Hardware.