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關(guān)于模擬前端的設(shè)計
事實上,在一個AD采集系統(tǒng)里，最復(fù)雜和最難的是模擬前端---AFE,因為這個設(shè)計直接影響到后面的測量/分辨精度和采用的算法,可以這么說,模擬前端設(shè)計好,可以省很多CODE的時間去做軟件濾波,實際上一些軟件濾波不是提高精度,而是降低了AD采集的靈敏度,這些在我們做一些低速信號或者直流信號時基本感覺不到,在市電或者其他交變信號的采集時,這些尤為明顯. 建議,各位做高精ADC采集的時候,盡可能將信號過運放處理,因為這樣可以避免MSP430ADC12/SD16采集的輸入阻抗誤差,因為ADC12不是運放輸入,SD16的運放輸入要求阻抗>2M,很多應(yīng)變橋可能輸出阻抗只有幾10K,阻抗不匹配造成最大的問題就是采樣精度受溫度,電壓等影響大,最壞的可能性就是與真實信號誤差大 下面將就RTD溫度測量和電阻應(yīng)變橋測量做個簡單的分析(下述電路如果要提高精度和PSRR(電源抑止比),可采用差分輸入方式) 下圖為使用PT100溫度傳感器的典型恒流--->電壓輸出--->AD采集電路 如上圖所述 溫度檢測器為PT100,其在0攝氏度時的電阻為100歐,一些精密的RTD用3線或者4線制,其目的就是為了減少RTD引線上的電阻影響精度,這個線路電阻就是圖中的RW. 在上述電路中,比較關(guān)鍵的是基準(zhǔn)電壓和運放的選擇,在這里要強調(diào)的一點,很多朋友往往認為基準(zhǔn)電壓的精度越高越好,當(dāng)然,這個是無可厚非的,但是在成本要求相對較高的情況下,我們需要的是-----基準(zhǔn)電壓的溫度線性要好.因為在電路里,供電電壓波動的情況有,但是一般我們都給出了超過基準(zhǔn)電壓足夠范圍的電壓,以保證基準(zhǔn)能穩(wěn)定輸出.但是一個很常見的問題就是溫度漂移,有可能來自設(shè)備本身---因為工作時間長了PCB要升溫;也有可能來自外部---因為有些地方夏季和冬季的溫度偏差有時可以到90攝氏度以上(-30C--60C),這樣的條件勢必對基準(zhǔn)要求更高了 下面我們按性價比依次列了下,TI出品的LM285,TLV431,REF30XX都是不錯的選擇,主要是TI的基準(zhǔn)相對來說功耗小，溫度漂移相對也小,本人用的最滿意的是TI的LM285-1.2,基本上在-15~75C的大范圍內(nèi),基準(zhǔn)輸出電壓變化小于1MV,REF30XX的電壓精度是0.2%,溫度漂移50PPM,適合12位以上精度采集的要求,它的價格相對較高了.目前TI還推出了REF31XX,32XX,32系列的已經(jīng)可以作到4PPM.這個基本上可以和ADI公司的高精度基準(zhǔn)媲美了 說完基準(zhǔn),我們要談?wù)勥\放,運算放大器在模擬前端里相對來說是最重要的器件了.要根據(jù)電路特點,選擇是否帶零漂校準(zhǔn)的,是否低嘈聲的,是否滿足帶寬,是否R2R--軌對軌等等. 在溫度檢測的這個電路里,目前我們可以看到的是用了一個MICROCHIP公司的MCP運放,功耗相對比較低,實際上在這個系統(tǒng)里,我們還可以考慮用TLV系列的產(chǎn)品,比如TLV2254,同樣也是一個4運放,嘈聲更小.在類似的電路里,我們對帶寬的要求相對較少,基本都是DC信號,但是另一個概念--R2R,軌對軌,就是說,要求運放輸出的電壓能到其供電電壓,具有這個功能的運放就適合做滿幅測量,不象老運放要正負電壓,還不能輸出等于VCC的電壓. 關(guān)于運放的重要性和選擇,我們在下一個跟貼上繼續(xù),下面主要介紹下電阻應(yīng)變橋的ADC模擬前端,這部分相對要求的都是12BIT/16BIT/24BIT的精度,，因此對運放的要求更高了,還要考慮零點漂移 一個恒流驅(qū)動的電阻應(yīng)變橋 上述是一個恒壓驅(qū)動下的電阻應(yīng)變橋,實際上這是一個硅壓電阻應(yīng)變橋,是目前小體積壓力測量上精度不錯的一種傳感器;下圖是其同一系列中恒流驅(qū)動器件的典型電路. 在這兩個電路中,最主要的就是要求所有的運放都是低嘈聲的.因為此類應(yīng)變橋傳感器輸出都是在MV級的信號,測量分辨率有時要達到UV級別.因此,抑制運放的嘈聲以及電源的嘈聲都非常重要.此外,注意一下,在圖中的A3.實際上這個電路就是用做零點漂移的調(diào)節(jié).這里提下,什么是零點漂移,實際就和我們使用指針萬用表一樣,有時電池的電壓變了,測量歐姆檔的時候要調(diào)零,因為有些外部因數(shù)導(dǎo)致傳感器輸出有零點漂移,也就是說可能受時間影響或者電氣特性發(fā)生變化后,通過電路調(diào)節(jié)其輸出. 一個硅壓傳感器的實物 Originally posted by hoohoo at 2005-7-10 20:49:
\\2,200K的速率就是SAMPLE的次數(shù),每秒采樣的次數(shù) \\3,因為ADC輸入的電流不同了,實際上ADC12不是差分輸入,因此最好在前級+個運放,或者你可以根據(jù)ADC12內(nèi)部電容和外部輸入阻抗進行計算,得到一個更準(zhǔn)確的采樣值 \\4,純粹的軟件設(shè)置問題了,參考下TI的例子 這里貼一個ADC12的常見結(jié)構(gòu)和輸入阻抗圖解 如圖：Rw為pt100,R0為100歐姆的精密線繞電阻,，兩了電阻串聯(lián)由恒流源供電,，有如下等式：Vw/Rw=V0/R0,即Rw=(Vw/V0)*R0,從這個等式可以看出，即pt100的阻值為倆個電壓值之比,，再乘以100,，參與pt100阻值計算的里面不含恒流源,，所以這個方法可以克服恒流源的波動、溫飄,，隨時間的飄移,，此電路應(yīng)用于國家標(biāo)準(zhǔn)2型氣象站多年,，使用下來非常穩(wěn)定，最后提一句,，要聽fft的話,， sd12/16輸入前的運放不可省去 電流多少還真是沒有量過，就參照pt100手冊吧,，精度的話沒有線性修正,，然后任意pt100互換，0,。3度以內(nèi)吧（-10-----50）,，其實精度基本上取決于那個標(biāo)準(zhǔn)電阻 pt100電流<5mA BBS 網(wǎng)友 rsluo 討論 一般通過Pt100的電流不能超過5mA 講講簡單的電源隔離和信號地/電源地的處理 一般在我們的AD系統(tǒng)里面,都有非常明確的模擬電源/模擬地;數(shù)字電源數(shù)字地,這些的處理相對比較重要.通常的系統(tǒng)中== 1、我們常用10~20歐姆電阻來做個模擬電源和數(shù)字電源的隔離,可以從下圖中看出,當(dāng)然,使用分組的隔離電源是最好的選擇,但是成本相對較高 2,、處理模擬地數(shù)字地時,最終使用1點接連的辦法,這個連接點要選在PCB上的電荷平衡點,以防止出現(xiàn)電壓差,這個需要PCB和模擬設(shè)計良好的基礎(chǔ)及經(jīng)驗 3,、使用PSRR高的LDO,盡量避免使用DCDC和紋波超過300UV的電源溫壓器件,當(dāng)然,我們可以通過差分輸入來減少來自電源的干擾 4、良好的屏蔽罩同樣可以減少外部空間電磁輻射對AD系統(tǒng)的影響,諸如雷達,手機輻射,紫外線等 補充幾點 1,首先我們要處理系統(tǒng)的晶體干擾問題,晶體在一個PCB上的布局比較重要,當(dāng)然,選型也很重要,理論上一個系統(tǒng)中的外部晶體頻率越低系統(tǒng)越穩(wěn)定,越不容易受到干擾,但是在內(nèi)部做倍頻基本上是芯片級的應(yīng)用層次了,補臺需要我們操心. 晶體的外殼如果是金屬的,通常要接到數(shù)字地上.晶體盡量遠離ADC電路,靠近MCU 2,多個電源地之間,可以考慮用電感來連接,計算一個比較適合的電感和BYPASS電容,可以消除一些附加在電源地上的干擾信號,這些可以用著名的PSPICE軟件來模擬. 3,PCB時,電源的線寬應(yīng)當(dāng)根據(jù)電流大小布置,通常要為普通信號線的數(shù)倍,在電池供電的微功耗設(shè)備里,建議最小的電源線寬不小于15MIL(這個僅僅是我們的意見),當(dāng)然,有條件的可以用軟件來模擬下電流的實際大小和需要的線寬,線厚度等,這個在POWER PCB上可以實際仿真得到相關(guān)參數(shù) 關(guān)于低功耗的軟硬件設(shè)計 1,對于消耗電流大的功能模塊,不管是內(nèi)部的還是外部的,都做關(guān)斷操作(包含軟件不使能). 2,推薦在系統(tǒng)空閑的時候可以進入LPM3模式 3,對于不用的I/O處理方法是懸空的IO口都設(shè)為輸入,，拉高或拉低都可以,。用到的時候把該作為輸出的管腳改成輸出 4,作為主要的電源供應(yīng)器件,電源管理IC(含LDO)應(yīng)當(dāng)選用可關(guān)斷或者靜態(tài)電流小的型號 關(guān)于精度校準(zhǔn) 在我們做的一些儀表中,不可避免的要用到精度校準(zhǔn).如, * 熱量表的溫度系數(shù)標(biāo)定; 因為上述的這些參數(shù)都不是固定的，而是根據(jù)PCB以及外部傳感器,設(shè)備連接關(guān)系等來做進一步的精度調(diào)節(jié)的,這樣就有必要在產(chǎn)品成型后做一個參數(shù)標(biāo)定. 那么這些標(biāo)定值是如何設(shè)置進我們的MSP中(因為F系列的MSP430芯片內(nèi)部是FLASH的,可重復(fù)編程,這樣就不需要像普通51那樣外擴EEPROM了)以及存放的區(qū)域都成為我們此次探討的重點. 1,存放這些標(biāo)定系數(shù)的區(qū)域 在MSP430中,我們可以將這些標(biāo)定系數(shù)存放在INFOMATION FLASH中,這個區(qū)域分128*2總計256字節(jié)的信息存儲空間,而且也是統(tǒng)一編址的.擦寫可以分兩塊小區(qū)域---128字節(jié)一個區(qū)域來操作,而不用整個扇區(qū)的擦除后再寫入. 另一個辦法就是針對標(biāo)定數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用:直接在MSP430程序空間中開一塊512字節(jié)的常規(guī)FLASH扇區(qū)用做數(shù)據(jù)標(biāo)定,這個標(biāo)定前一定要對整個扇區(qū)的512字節(jié)做擦除操作. 還有一類非常特殊的應(yīng)用,就是把標(biāo)定參數(shù)放在RAM中,這些在下一次上電后就不存在了,這些標(biāo)定數(shù)據(jù)是由程序根據(jù)某些外部輸入來定義的暫時值. 上述的三種標(biāo)定的存儲方式比較常規(guī) 2,如何進行標(biāo)定 A 首先想到的是用FET進行每塊產(chǎn)品的代碼重入,呵呵,這個最簡單,但是要每次編譯原代碼,安全系數(shù)受誤操作影響大,還有就是不容易控制代碼擴散. B 通過BSL來進行標(biāo)定,這個相對來說安全點,因為給的目標(biāo)文件已經(jīng)是HEX碼,原代碼得到安全的保護(不過解密仍然能通過HEX生成ASM)不過比較煩瑣的操作可以分為兩種,一種是直接修改HEX碼里某處數(shù)據(jù),以達到標(biāo)定目的,當(dāng)然,這個操作可以通過PC軟件事先計算好,定位好.另一種方式就是將測試程序?qū)懙組CU中,生成一組標(biāo)定數(shù)據(jù)到INFO FLASH中,然后再次燒進去成熟的程序,這樣通過測試程序和正常程序分離標(biāo)定的方法在計量儀表中使用比較方便. C 通過串口進行標(biāo)定.這個操作需要MCU程序支持,首先把存放標(biāo)定數(shù)據(jù)的空間定義好,然后直接從串口接收標(biāo)定命令/數(shù)據(jù),然后寫入到標(biāo)定區(qū)域,這樣的做法實際上最靈活最安全,因為所有的代碼都是不可見的,可以有效防止攻擊和代碼擴散.但是,有一個缺點,就是要損耗一個UART作為標(biāo)定用,也就是說,，在那些沒有UART的MSP430中,使用軟件模擬等都增加了這種方式標(biāo)定的執(zhí)行難度. D 特殊場合特殊的標(biāo)定:如果不僅僅要標(biāo)定,而且還有可能修改程序中已經(jīng)過時的算法,而且這些設(shè)備有可能無法取回或者為了節(jié)約差旅成本不人工取回.這樣就要考慮遠程升級-----通過GPRS/CDMA/ISM RF等等. 呵呵,上述是我們ZOLAB關(guān)于參數(shù)標(biāo)定的一些制造經(jīng)驗,可能還有一些更好的辦法,但是由于行業(yè)限制,我們也無法去一一驗證,歡迎各位多提建議. 可靠性分析 有利于 減少產(chǎn)品返修率 以及 提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性 常規(guī)的可靠性分析分為 1, 上電老化 簡單的說,就是讓你的產(chǎn)品連續(xù)上電48小時,呵呵,這個連續(xù)工作的要求對絕大多數(shù)的電子產(chǎn)品都是不高的要求了,這個最簡單的老化辦法將有效檢驗出大約0.1%~0.3%的不合格率,基本上算PASS了,，這些也只有在批量生產(chǎn)的時候才會遇到,當(dāng)然,實驗室產(chǎn)品是調(diào)試出來的，應(yīng)該另當(dāng)別論,要求更高點. 2, 上電高低溫老化 當(dāng)你的產(chǎn)品需要在南方城市或者北方城市運行時,或者在一個溫差很大的環(huán)境下,都應(yīng)該充分考慮到溫差對產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響. 很多精密的AD采集系統(tǒng)需要高穩(wěn)定性的AFE(包括運算放大器,AD器件,基準(zhǔn))這些要求16BIT以上的ADC采集需要使用20PPM以下的器件,才能確保足夠的精度. 此外,受溫度影響比較嚴重的就是MCU的晶體,通常在-40C以下,晶體正常起振的幾率大大降低,，除非使用寬溫晶振或者有源晶振,而且在需要高精度的晶體,比如做為激光測距這樣的應(yīng)用場合,一定需要一個內(nèi)部帶恒溫槽,高穩(wěn)定性的有源晶振才能正常工作.這樣的例子就可以在飛機激光測距吊倉上得到驗證(高空溫度有時在 -65C以下);另一方面,在機動車或者密閉的倉內(nèi),溫度有時高達+65C,諸如此類特殊的場合,都應(yīng)該充分考慮系統(tǒng)中晶振的穩(wěn)定性 因此,有條件的公司,廠家可能會購買高低溫老化設(shè)備來做產(chǎn)品的這些實驗 3, 上電高濕度老化 這個需要測試在濕度70%~95%環(huán)境中,上電是否能正常工作,一般多霧的熱帶雨林,海上航行中,濕度是電子產(chǎn)品最大的殺手.一個走線密集但又沒做防潮防腐處理的PCB,很有可能失靈或者短路燒毀.同樣的事件也容易發(fā)生在化工,農(nóng)業(yè)人工環(huán)境下,因此,這類場合使用的電子產(chǎn)品要充分考慮隔絕空氣,防潮(濕度>70%即為潮濕氣候) 4, 上電電磁輻射檢驗 EMC,EMI 比如像用MSP430做的HOT---心電感應(yīng)記錄儀,在工作的同時也要考慮最環(huán)境和周圍的人和設(shè)備造成盡可能小的影響,此外還有電能表,手持PDA等等,這些就需要到計量部門做專業(yè)的檢測,不僅是產(chǎn)品對外界的干擾.而且還要檢測外界電磁輻射對產(chǎn)品的干擾.呵呵,就是費用比較高 PCB設(shè)計的差別可能造成同一種ADC 集成電路,一個受到類似手機900MHZ頻率電磁輻射時,采集到的信號幅度變化極大.此外,來自電源不純凈的輻射和高次協(xié)波也將導(dǎo)致系統(tǒng)異?；蛘邚?fù)位 5, 上電靜電打擊實驗 ESD 4000V的人體模型和15000V的高壓瞬間打擊,這類電子產(chǎn)品的設(shè)計難度更高 6, 如果是做軍品或者便攜工業(yè)設(shè)備,300KM國家3級公路汽車運輸實驗 這么顛簸后,產(chǎn)品上沒松動,脫焊,器件參數(shù)不變化,功能正常,呵呵,就算過關(guān)了 7, 如果是做汽車或者高速交通設(shè)備的,還要做做抗重力/加速度實驗 汽車胎壓檢測中的IC,基本上就要抵抗到數(shù)個G的加速度,很難說一些工業(yè)級的IC要"暴",因此在做此類設(shè)計時,器件特性一定要把好關(guān) 上面非常淺顯的介紹了幾種常見的可靠性分析辦法,其實要是詳細寫的話,基本上每個措施都可以寫到5000字以上了,哈哈,這些更詳細的資料,各位壇友還是找找專業(yè)的書籍和富有經(jīng)驗的工程師交流更安全 |
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