高性能模块化仪器如何实现更大的应用和更小的外形尺寸

继几代定制台式仪器之后，继续向具有更大灵活性、软件控制和更小外形尺寸的模块化仪器过渡。然而，在满足噪声和测量精度目标的同时降低功耗仍然是一个挑战。

远离台式仪器的一个变化是能够实现移动性。从物流的角度来看，大型定制和基于机架的系统具有局限性。将机柜/桌面设备分解为更小的节点可实现自定义配置，并针对测试站点或受试者的环境和地理位置优化仪器。通过将测量仪器分解成更小的节点来提高测量仪器的移动性，从而减少布线和安装难题。与本地移动仪器的布线连接比将长电缆追溯到中央机架或台式仪器更容易。恢复验证接线和修复接线错误连接所花费的时间。尽管外形尺寸不断变化，但对最佳测试性能、确定性和准确性的需求仍然存在。

应用领域

具有高动态范围的模块化平台仪器相当于21世纪的卷尺。该仪器提供在各种专业领域进一步创新、研究和开发所需的测量功能。

材料科学研发领域的测试，从风车叶片的结构分析到涡轮机的健康、福祉和电力输出。

测量应变/压电传感器的输出，调节这些电压，并为结构健康和材料开发进行定量分析，并提供无干扰的清晰测量。

汽车座舱噪声测量。在原型开发过程中，将放置在车内的麦克风的输出数字化，直至实现更快、更准确的控制回路，从而提高工厂车间的生产吞吐量。

电气测试：

音频测量支持开发用于声控控制和操作的高级麦克风模块和扬声器。

ATE中的无源和有源电子设备的电气测试，其中参数测量精度和速度与测试成本有关。

EEG需要在接近直流的特定带宽上具有极高的动态范围。需要更低的功率来封装数百个同步测量通道，以封装到一个小尺寸中。

这些广泛的应用具有同样广泛的通道数。工业应用中的标准 8 通道模块可扩展至 512 通道及以上，用于 EEG 测量。将前端测量设计扩展到大量通道，同时保持同步采样是关键。它是指导一代人研究、开发、生产和最终操作的数据基础。

创建更小的外形尺寸外壳，同时保持测量通道密度需要电源效率。将模数转换器（ADC）和链路的动态范围（之前）提高到110 dB，同时控制电流消耗是一场持久的战斗。平衡动态范围、输入带宽和电流消耗并不容易。

由AD7768和AD7768-4功能支持的新型ADC子系统已经出现。它能够以比以前更高的精度数字化到更宽的带宽，并具有跨多个通道的保真度和同步采样。它还提供了缓解热挑战的工具，并在高动态范围模块化系统设计中实现了动态范围、输入带宽和电流消耗的适当平衡。

可重新配置的热足迹，软件可编程测量带宽

AD7768可以适应测量情况。热量、减少的空气空间和没有主动冷却都是模块化仪器的限制，AD7768使用内置工作模式简化了这些限制，以实现快速、中值和节能的功耗调节。对于给定的输入带宽，用户可以决定消耗更多或更少的功率，从而减少模块内的热量。一个例子是在51.2 kHz的输入带宽上进行数字化。这种带宽在基于 FFT 的分析中很常见，因为它在 FFT 输出中提供了一个整数箱大小。AD7768采用砖墙数字滤波器框架，需要输入带宽。低纹波通带和陡峭过渡带在刚好高于 51.2 kHz 的频率下具有完全衰减，这意味着奈奎斯特频率附近没有折返。对于AD7768，用户可以选择在快速或中值模式下工作。在电流消耗和动态范围之间做出决定，具体取决于哪个范围对系统最受限制。一起来看看：

图1.数字化 50 kHz 输入带宽。快速模式性能，FFT显示ADA4896-2驱动时的性能。（AD7768处于快速模式，十进制×64，输出速率为128 kSPS）预充电模拟输入缓冲器开启。

图2.数字化 50 kHz 输入带宽。中值模式性能，FFT显示ADA4896-2驱动时的性能。（AD7768处于中值模式，十进制×32时输出速率为128 kSPS）预充电模拟输入缓冲器导通。

此处使用以下基本设置演示了动态范围与电流消耗的权衡：MCLK = 32.768 MHz，低纹波通带滤波器（“砖墙”），每种模式的数据速率为128 kSPS，数字化50 kHz的输入带宽，输入正弦波为−0.5 dB，比满量程低0.5 dB。图1和图2显示了ADC性能的比较：模拟输入正弦波的出色低失真数字版本。切换到中值模式可以降低电流消耗，从而将噪声和动态范围降低3 dB。

 

电源模式	±0.005 dB 带宽 （kHz）	动态范围1（短路输入） dB	信噪比 （分贝） 1千赫 –0.5 dB 正弦波	总谐波失真 （分贝）	电流消耗型 ADC 全部 8通道2（毫安）
快	51.2	111	109.5	<–120 分贝	113
中位数	51.2	108	107.8	<–120 分贝	70
1 请注意，一些供应商将此数字表示为 SNR（短路输入噪声）。AD7768使用全正弦波进行测试，行使真实SNR所需的完整基准电压范围。 2包括预充电模拟输入缓冲器。预充电缓冲器降低了模拟输入电流与输入幅度的关系，并使模拟输入更易于驱动前一个驱动器放大器。AD7768在预充电缓冲器开启时具有明显的失真优势。

 

在经典的51.2 kHz测量带宽中，用户可以选择降低电流或最大化ADC的动态范围。功率调节不仅适用于ADC，而且在ADC之前对驱动放大器电路也存在连锁反应。如图3所示，该子系统还包括一个驱动放大器，通常包括用于抗混叠的信号调理。

图3.ADC子系统功率调节：驱动器放大器的占位面积可以重新填充低电流放大器，同时对ADC进行功率调节。

可以选择具有不同功耗的放大器与每种功率模式配对。该表说明，快速模式的初始设计可以在以后进行扩展，以便在具有相同基本尺寸的中值或节能模式下使用，但重新调整用途以降低电流消耗。

 

电源模式	放大器	放大器 电流 8 通道差分输入 （mA）	评论
快	ADA4896-2	48	噪声和失真的最佳平衡
	ADA4807-2	16	降低电流消耗， 权衡失真（快速）
中位数	ADA4807-2	16	与ADA4805相比，具有额外的压摆和GBW，低电流消耗，更高的噪声;FFT 性能参见图 4
	ADA4940-1	10	全差分放大器， 单端差分或差分输入/输出; FFT 性能请参见图 5
	ADA4805-2	10	降低电流、压摆率和 GBW 与 ADA4807-2 的比较
生态	ADA4940-1	10	全差分放大器， 单端至差分或差分输入/输出
	ADA4807-2	16	额外压摆和 GBW，低 电流消耗
	ADA4805-2	10	降低电流、压摆率和 GBW 与 ADA4807-2 的比较
	ADA4084	9	预充电开启 — 高性能、低电流 消费组合

 

缩放到具有中值模式的较低功率放大器有助于进一步降低电流消耗。在中值模式下使用ADA4807-2或ADA4940-1的性能如图4和图5所示，在50 kHz输入带宽内对交流和直流进行数字化处理时。

图4.中值模式性能，FFT显示ADA4807-2驱动ADC预充电模拟输入缓冲器导通时的性能。

图5.中值模式性能，FFT显示ADA4940-1驱动ADC预充电模拟输入缓冲器导通时的性能。

能够调整和调整测量子系统的功耗有两个好处。首先，嵌入式功率调节灵活性允许动态灵活性，以改善测量范围或测量持续时间（例如，如果模块由电池供电）。其次，它允许创建基本平台设计，可以针对特定的测量带宽和性能点进行设置和调整，以便开发定制仪器以满足确切的最终客户测量挑战。

软件可配置的输入带宽和延迟 — 将其应用于通道组

除了使用AD7768调整ADC的电流消耗和动态范围外，还存在可配置的滤波功能，可根据测量情况进行调整。砖墙、低纹波滤波器非常适合在宽频率范围内提供增益精度。它们的缺点是积分/平均时间长。因此，AD7768的群延迟相对较大，在34个数据周期范围内，然后才能看到模拟输入的数字化版本。给出相对时间尺度，在250 kSPS的快速模式下运行，每个数据转换周期为4 μs，因此群延迟为136 μs。在控制环路或可能重视快速响应而不是频率增益精度的应用中，这可能是不能容忍的。为了能够实现控制环路的高动态范围测量，可以使用sinc5滤波器。相对于宽带滤波器，该路径将群延迟降低了10倍。

AD7768的一个有用功能是，它可以允许用户在通道之间混合使用滤波器类型。每个ADC可以分配给两组通道之一。然后，可以将每个组分配给两个滤波器之一，并通过六个可用抽取率之一设置其速度。此功能允许在八个ADC内完成不同的测量类型，并允许通过软件设置进行配置，类似于每个ADC分立的情况。一个示例场景是，在监控重要工业资产时，用户可能希望测量4 mA至20 mA变送器或电压输出变送器的直流输出，同时测量另一个模拟输入通道上的振动传感器。直流响应可以从变送器读取并馈送到控制环路，同时在单独的同步通道上测量振动。输入带宽和延迟能力的混合是创建用于工业环境的定制高价值仪器的基础：一台仪器在一个系统上同时执行运行过程变量和集成工厂振动信息的双重功能。

图6.比较sinc5滤波器与宽带滤波器的群延迟。Sinc5 可快速响应模拟输入上的输入变化，适用于控制环路应用，其中最小化环路延迟是关键。绿点表示群延迟时间的样本，粉点表示每个滤波器的最终建立值。

图7.为不同的滤波器类型配置不同的ADC通道。两组：A采用宽带，B为新频。每个组的抽取率也可以通过SPI进行配置。

高性能、可扩展的高速和低功耗可实现现代外形和用例

从大型固定式仪器仪表到更具移动性和灵活性的设备不断流行。它们为广泛的行业、市场和应用中的高级开发和创新提供了宝贵的潜力。虽然存在动态范围、输入带宽和电流消耗等挑战，但先进的ADC正在帮助缓解这些挑战，并为设计人员提供比以前功能更强大的工具。

审核编辑：郭婷