Een delta-sigma ADC gebruiken in uiterst nauwkeurige multisensorsystemen

Configuraties met meerdere sensoren voor olie-, gas- en petroleummetingen verzamelen voortdurend gevoelige druk- en thermische gegevens. Het vastleggen van de verschillende combinaties van fysieke temperatuur- en drukentiteiten vereist echter een zeer beknopt systeem met hoge resolutie.

Dit is een uitdaging voor ontwerpers, omdat het sensorcircuit met hoge resolutie dat nodig is, zich over grote temperatuur- en drukbereiken verspreidt. In de meeste gevallen is de elektronica met meerdere sensoren te groot voor fabriekstoepassing en is de afzonderlijke analoge signaalconditionering niet nauwkeurig of robuust genoeg (Afbeelding 1).

Figuur 1:Een drukveiligheidsklep beschermt leidingsystemen tegen overdruk. (Bron:Shutterstock)

De oplossing voor multisensor-elektronica ligt bij de ADC met hoge resolutie. De combinatie van thermokoppel, weerstandstemperatuurdetector (RTD), druksensoren en analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) is mogelijk met een nauwkeurige, snelle, meerkanaals delta-sigma (ΔΣ) ADC, waarbij de belangrijkste specificatie is RMS-ruis. Dit creëert een uiterst nauwkeurig, robuust multisensorsysteem voor olie-, gas- en petroleumelektronica.

Dit artikel bespreekt in het kort de problemen die samenhangen met het bereiken van een nauwkeurige temperatuur- en drukcelinterface met behulp van een ΔΣADC.

Drukdetectie

De apparaten voor drukmeting zijn apparaten die elektrische bekrachtiging vereisen en apparaten waarbij druk de enige krachtbron is. De apparaten in mechanische stijl omvatten balgen, diafragma's, bourdons, buizen en manometers. Met deze apparaten initieert een verandering in druk een mechanische reactie, zoals een verandering in de positie van de mechanische arm of het vloeistofniveau van een buis.

Elektrisch opgewonden druksensoren zijn synergetisch met ΔΣ ADC's en microcontrollers. Deze sensoren kunnen capacitieve sensoren, lineaire variabele differentiële transformatoren (LVDT) of piëzoresistieve sensoren zijn. Meestal is de piëzoresistieve sensor het apparaat bij uitstek (Afbeelding 2).

Afbeelding 2:Een piëzoresistieve druksensor (a) is meestal het apparaat bij uitstek. De hoge kant van het piëzoresistieve brugmodel (b) vereist een spannings- of stroomexcitatie. (Bron:Maxim Integrated)

In figuur 2a is de bovenkant van de gefabriceerde sensor een resistief materiaal en de onderkant is een diafragma. De hoge kant van het piëzoresistieve brugmodel (Figuur 2b) vereist een spannings- of stroomexcitatie. De grootte van de excitatie beïnvloedt het dynamische bereik van de output van de sensor, het maximale verschil tussen V_OUT + en V_UIT – in een 3,3 V-systeem, dat over het algemeen varieert van tientallen millivolt tot enkele honderden millivolt. Elektronica, die de brugsensor volgt met behulp van versterkers en een ADC, verandert het differentiële uitgangssignaal in digitale weergave.

Belang van temperatuurwaarneming

Er zijn talloze soorten temperatuursensoren die geschikt zijn voor elke toepassing in termen van temperatuurbereik, lineariteit, nauwkeurigheid, robuustheid en gebruiksgemak. De temperatuursensoren in deze applicatie bewaken de temperatuur van de druksensor om ervoor te zorgen dat betrouwbare drukmetingen plaatsvinden. Om deze temperatuurmeting uit te voeren, gebruikt deze applicatie een K-type thermokoppel en RTD (Figuur 3).

Figuur 3:Een tweedraads TYPE-K thermokoppel vereist een tweede temperatuurmeting met de RTD voor koude-junctiecompensatie (CJC). (Bron:Maxim Integrated)

In afbeelding 3 kan de robuuste thermokoppeltemperatuursensor hoge temperaturen tot +1260°C detecteren, terwijl de RTD de temperatuur meet bij de thermokoppel/koperverbindingen.

ADC's met hoge resolutie

Bij ADC's is er een zeer sterke afweging tussen resolutie en snelheid. Van de snelste converters kan de pijplijn-ADC datasnelheden produceren met snelheden van tientallen giga-samples-per-seconde (Gsps), terwijl het respectabele resoluties tot 12 bits produceert.

De middle-of-the-road ADC is de successive-benadering-register (SAR) converter. Deze converter produceert samples met een output die langzamer is dan de pijplijnconverter die werkt met ongeveer 10 Ksps tot 10 Msps en met een hogere resolutie tot 18 bits. De SAR-converter is een goed werkpaard voor de industrie, als de acceptabele grootte van de minst significante bit (LSB) van de ingangsspanning in microvolt (μV) is. Als de toepassing echter conversies van LSB-groottes in het nanovolt (nV)-gebied nodig heeft, is het enige haalbare alternatief een ΔΣ ADC (Figuur 4).

Figuur 4:De basis ΔΣ ADC zet de ingangsspanning om in een ΔΣ modulator. (Bron:Maxim Integrated)

De ΔΣ ADC in figuur 4 zet de ingangsspanning om in een ΔΣ-modulator. De modulator creëert een één-bits, ruisvormige, pulstrein die de analoge ingangsspanning vertegenwoordigt. De omzetter verzamelt vervolgens de één-bits pulstrein en voert door overbemonstering een verscheidenheid aan digitale filtering op het signaal uit. Na verloop van tijd verwerpt het filter ruis met een hogere frequentie en produceert het multi-bit resultaten tot wel 24 bits. De converter stuurt deze resultaten naar de uitgangsterminal van een externe microcontroller.

ΔΣ modulator

De ΔΣ-modulator start het ruisonderdrukkingsproces van de ADC. Nauwgezet onderzoek van deze modulator onthult snel waar het ΔΣ-label vandaan komt (Figuur 5).

Figuur 5:De tweede-orde ΔΣ-modulator omvat een feedbacksysteem met een front-end Δ-functie gevolgd door twee integrators (Σ-functie). (Bron:Maxim Integrated)

In figuur 5, na de twee integrators, wordt het signaal geconverteerd via een 1-bit ADC met een bemonsteringsfrequentie die gelijk is aan de bemonsteringsfrequentie (F_S ) en wordt vervolgens via een 1-bit DAC met dezelfde samplefrequentie teruggekoppeld naar de ingangen van de twee integrators. In dit systeem is er een injectie van kwantisatieruis (e_i ) met de 1-bit ADC. Volgens de formule onderaan figuur 5 verschijnt de ruis aan de uitgang samen met de ruis van eerdere conversies.

De modulator genereert een ruisvormend effect op de accumulatie van het signaal aan de uitgang van de modulator. Dit ruisvormende effect vormt de 1-bit conversie-kwantiseringsruis naar hogere frequenties (Afbeelding 6).

Figuur 6:De ruis aan de uitgang van de modulator zorgt voor een ruisvormige respons. (Bron:Maxim Integrated)

In figuur 6 is de Nyquist-frequentie voor het systeem de bemonsteringsfrequentie van de modulator, F_S . De volgorde van de modulator bepaalt het niveau van de kwantiseringsruis ten opzichte van de frequentie (Figuur 7).

Afbeelding 7:Deze grafiek toont het ruisvormende vermogen van eerste-orde, tweede-orde en derde-orde modulatoren. (Bron:Maxim Integrated)

In figuur 7 is de kwantiseringsruis van de modulatoren van lagere orde hoger bij DC en lager bij hoge frequenties. De ΔΣ ADC verzamelt of overbemonstert de 1-bits uitvoerstroom van de modulatoren en oefent digitale laagdoorlaatfiltering uit.

Digitaal/decimatiefilter

Met de ΔΣ ADC-kern zijn er twee acties die plaatsvinden om systeemruis te verminderen. De modulator vormt zijn kwantiseringsruis met succes naar hogere frequenties en het digitale/decimatiefilter dempt de hoogfrequente ruis.

De uitgangsgegevenssnelheid van de ADC, zoals bepaald door de volgende afsnijfrequentie van het digitale laagdoorlaatfilter, is F_D . De frequentierespons van het digitale/decimatiefilter (stippellijn in figuur 4) dempt met succes de ruis met een hogere frequentie.

Voltooid ΔΣ ADC-afbeelding

Een volledig werkende ΔΣ ADC in de kern vereist een ΔΣ modulator en Sinc en eindige impulsrespons (FIR) digitale filters (Figuur 8).

Figuur 8:  Dit diagram toont een volledig werkende ΔΣ ADC met ingangen voor druksensor en temperatuursensor. (Bron:Maxim Integrated)

In het kern ΔΣ ADC-blokdiagram (Figuur 4) is er een digitaal/decimatiefilter. De werkelijke ΔΣ ADC in afbeelding 8 heeft de gemeenschappelijke Sinc- en FIR-digitale filters, die het ruisarme beeld van de converter compleet maken.

Het Sinc digitale filter voert een laagdoorlaatfilterfunctie uit. Een filterontwerp van de eerste orde vestigt zich in één datawoordperiode. Het Sinc-filter van de vierde orde of Sinc ⁴ vestigt zich in vier datawoordperioden. De vorm van het frequentiedomeinfilter verschijnt met dips over frequentie (Figuur 9).

Figuur 9:  Deze grafieken tonen de frequentierespons van een derde-orde Sinc-filter (Sinc ³ ). (Bron:Maxim Integrated)

In Afbeelding 9 kan de laagste demping worden geprogrammeerd om overeen te komen met geschikte frequenties, zoals veelvouden van 50 Hz of 60 Hz. Het apparaat in Afbeelding 8 implementeert een Sinc ⁴ digitaal filter.

De afgeronde kenmerken van digitale Sinc-filters maken ze een van de eenvoudigste digitale filters om te implementeren, dus ze zijn erg handig in toepassingen met gemengd signaal. Er zijn echter toepassingen waarbij scherpere hoeken de voorkeur hebben. Het FIR-filter biedt scherpere hoeken met een extra voordeel van stabiliteit. De ΔΣ ADC in afbeelding 8 heeft een 50 Hz/60 Hz-filter dat meer dan 90 dB onderdrukking biedt bij 50 Hz en 60 Hz met een gegevenssnelheid van 16 samples per seconde.

De complete ΔΣ ADC (Afbeelding 8) heeft extra hulpfuncties zoals een ingangsmultiplexer, programmeerbare versterkingsversterker (PGA), complexe digitale filter, klokgenerator en referentiematrix. Met een PT100 RDT, een stroombron van 160 μA en een PGA-versterking van 128, heeft de MAX11410 ΔΣ ADC een ingangsbereik van 1,234 V tot 2,837 V. Met deze 24-bits converter in een Sinc ⁴ configuratie, de grootte van de LSB-spanning is 0,039 μV_RMS . De temperatuurnauwkeurigheid ligt binnen het bereik van ± 100 °C en de RTD-nauwkeurigheid is ~ 4,7 °C/bit.

Dit artikel heeft problemen gepresenteerd die verband houden met het bereiken van een nauwkeurige temperatuur- en drukcelinterface met een ΔΣ ADC voor olie-, gas- en petroleumelektronica. Het applicatiecircuit gebruikt een druk, thermokoppel en een RTC-sensor om een ​​conversie van één apparaat te realiseren, waarbij de belangrijkste specificaties ruis, een invoermultiplexer en stuklijstkosten zijn.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EDN.