1. Інтегральні схеми фільтрів
2. Посилення і нормування сигналу
3. аналогові мультиплексори
4. Пристрій вибірки / зберігання
5. Аналого-цифрові перетворювачі
6. Системи прецизійного нормування, обробки і перетворення сигналів з датчиків фізичних величин
7. АЦП з функціоналом систем збору даних
8. Інтегральні системи збору даних
9. Висновок
10. Про компанію Maxim Integrated

Система збору даних (ССД) - це набір апаратних засобів, здійснює вибірку, перетворення, зберігання і первинну обробку різних вхідних аналогових сигналів. Система збору даних є основним елементом багатоканальних засобів вимірювань, що визначає його технічні характеристики.

До складу ССД можуть входити фільтри нижніх частот (ФНЧ), що нормують підсилювачі (НУ), аналоговий мультиплексор (MUX), пристрій вибірки та зберігання (ПВЗ), аналого-цифровий перетворювач (АЦП) і мікроконтролер (МК). Деякі типи ССД містять програмований підсилювач після мультиплексора, що дозволяє перебудовувати діапазон вимірювань. Найбільш поширена структура ССД представлена ​​на малюнку 1.

Мал. 1. Структурна схема ССД

На вхід ССД надходять аналогові сигнали, наприклад - з датчиків фізичних величин. Тип і рівень аналогового сигналу визначається фізичними особливостями застосовуваних датчиків. Як правило, сигнал малий по амплітуді, і в ньому присутні небажані шуми і перешкоди. Фільтр нижніх частот виробляє фільтрацію і запобігає накладення спектрів сигналу. Нормуючий підсилювач узгодить по амплітуді сигнал первинного перетворювача з вхідним діапазоном АЦП. Аналоговий мультиплексор забезпечує комутацію обраного аналогового вхідного каналу з ПВЗ. Пристрій вибірки-зберігання виробляє зберігання сигналу протягом усього періоду часу перетворення аналого-цифрового перетворювача. АЦП здійснює перетворення напруги з вхідного аналогового каналу в цифровий код. Далі цифровий код, пропорційний вхідному сигналу з датчика, надходить в мікроконтролер, де відбувається його первісна обробка.

ССД використовуються в різних областях, таких як прецизійні низькочастотні вимірювання, акустика, а також в високошвидкісних вимірах. Незважаючи на близьку структуру, в залежності від області застосування до ССД, до них можуть пред'являтися різні вимоги. У деяких випадках використовуються і інші структури ССД, Наприклад, структура з декількома ПВЗ (рисунок 2а). Ця структура використовується, коли необхідно здійснити вибірку значень двох або більшого числа сигналів точно в один і той же момент часу (одночасна вибірка).

Структура з паралельно працюючими АЦП (рисунок 2б) використовується, коли перетворення всіх сигналів повинно проходити максимально швидко і в один і той же момент часу. Наявність окремого АЦП для кожного каналу дозволяє реалізувати більш високу частоту дискретизації в розрахунку на канал. Така структура найчастіше використовується в системах контролю якості електромереж, управління двигуном і т.д. Обидві структури ССД, зображені на малюнку 2, використовуються в додатках, де різниця фаз вибірки сигналів, що виникає через затримку перетворення, веде до появи методичної похибки.

а)

б)

Мал. 2. Структури ССД

В даний час існують два основних підходи до проектування сучасних систем збору даних: побудова ССД з використанням дискретних компонентів і побудова ССД з використанням технологій систем на кристалі.

Перший підхід є найбільш складним способом розробки ССД. Він вимагає обгрунтованого вибору елементної бази, схемотехнік і конструкції друкованої плати. Цей підхід передбачає створення макетного зразка і проведення випробувань, що збільшує терміни і вартість розробки. Для всього перерахованого необхідні висока кваліфікація розробника, а також досить великі тимчасові і економічні витрати. Проте, побудова ССД на дискретних компонентах необхідно для вирішення вузькоспеціалізованих завдань. Це доцільно у випадках, коли для вирішення завдання не існує спеціалізованих систем на кристалі або готових інтегральних ССД.

Компанія Maxim випускає значну кількість високоінтегрованих компонентів з унікальними характеристиками для побудови сучасних ССД. У номенклатурі продукції, що випускається нею продукції є компоненти для реалізації будь-якого вузла ССД, такі як датчики фізичних величин, інтегральні фільтри, операційні та інструментальні підсилювачі, цифрові і аналогові мультиплексори, пристрої вибірки і зберігання, джерела опорного напруги, програмовані підсилювачі, аналого-цифрові перетворювачі, мікроконтролери і т.д.

Інтегральні схеми фільтрів

Для побудови активних фільтрів необхідно використання малошумливих операційних підсилювачів і великої кількості пасивних компонентів. При цьому малошумливі ОУ, як правило, мають високий рівень енергоспоживання і високу вартість. Крім того, побудова фільтрів веде до збільшення габаритних розмірів і ускладнення трасування друкованої плати. Використання готових інтегральних фільтрів серії MAX74xx дозволяє реалізувати ФНЧ до 8-го порядку на одній мікросхемі. Сімейство MAX74xx складається з фільтрів еліптичного типу, фільтрів Баттерворта і Бесселя до 8-го порядку. Споживання інтегральних фільтрів в активному режимі не перевищує 1,2 мА. Мініатюрний корпус SOIC8 допоможе заощадити місце на платі, особливо якщо ССД має багатоканальну структуру. Детальніше про інтегральних фільтрах можна дізнатися за адресою: http://www.maximintegrated.com/products/filters .

Посилення і нормування сигналу

Схема посилення і нормування сигналу призначена для узгодження рівня напруги вихідного аналогового сигналу датчика до повного діапазону АЦП, що знижує похибку перетворення АЦП. Підбираючи операційні підсилювачі для роботи в складі тієї чи іншої ССД, крім метрологічних характеристик, таких як напруга, зміщення, температурний і часовий дрейф напруги зсуву, КОСС, коефіцієнт посилення при розімкнутої зворотного зв'язку, необхідно уважно аналізувати і шумові характеристики ОУ (див. Таблицю 1 ).

Таблиця 1. Операційні підсилювачі компанії MAXIM

2,7 ... 20 1,75 7 0,019 5,9 10 MAX9632 4,5 ... 36 3,9 125 0,5 0,94 55 MAX9945 4,74 ... 38 0,85 8000 2 16,5 3 MAX9617 1,8 ... 5,5 0,059 10 0,12 42 1,5 MAX9613 / 15 1,8 ... 5,5 0,42 150 7 28 (на 10K) 2,8 MAX44260 / 1 -0,3 ... + 6 1,2 100 5 12,7 (на 10K) 15

Для додатків, особливо критичних до рівня шуму, необхідно використання таких тихих ОУ, як, наприклад, MAX9632. Це малошумящий операційний підсилювач з ультранизьким рівнем вхідних шумів (близько 0,94 НВ / √Гц) і напруги зсуву (125 мкв) в широкому діапазоні живлячої напруги (до 36 В).

MAX44251 / 2 - сверхпрецізіонний малошумний підсилювач з малим дрейфом нуля (рисунок 3). Цей ОУ, розроблений спеціально для застосування в прецизійних вимірювальних ланцюгах, має унікальний набір метрологічних характеристик: напругою зміщення приблизно 7 мкв і рівнем шуму 5,9 НВ / √Гц у всьому робочому температурному діапазоні. Температурний дрейф нуля складає 19 НВ, смуга пропускання - 10 МГц. Завдяки низькому рівню шуму і хорошим метрологічним характеристикам MAX44251 / 2 відмінно підходить для роботи в складі аналогової вимірювальної ланцюга спільно з 24-розрядних АЦП. Широкий діапазон харчування до 20 В робить його ідеальним для роботи з тензометричними перетворювачами.

Мал. 3. Приклад застосування ОУ MAX44251 спільно c 24-розрядних АЦП серії MAX112хх

MAX9617 / 18 мінімізує тимчасової і температурний дрейф напруги зсуву. Це ОУ з низьким енергоспоживанням (<100 мкА) і автоматичною корекцією нуля (zero-drift). Він володіє одним з кращих показників по рівню шумів серед випускаються ОУ даного класу (42 НВ / √Гц) і <420 НВ (pp) в смузі частот від 0,1 до 10 Гц. Дрейф нуля становить близько 120 НВ / ° C, напруга зсуву - до 10 мкв. Іншою особливістю даного ОУ є те, що завдяки технології "zero-drift" він має хорошу довготривалу і температурну стабільність, а також здатний зменшити вплив труднофільтруемого низькочастотного флікер-шуму. Завдяки діапазону напруги харчування (1,8 ... 5,5 В) і малому споживанню його зручно використовувати в вимірювальної апаратурі на батарейках.

Для завдання коефіцієнта посилення зручно використовувати інтегральні подільники напруги MAX5490 / 1/2. Використання інтегральної резисторной ланцюжка серії MAX549x (рисунок 4) допоможе знизити габаритні розміри і підвищити стабільність аналогової схеми. Прецизійні резистивні подільники сімейства MAX549х складаються з двох точно узгоджених резисторів з трьома класами узгодження: 0,035% (клас A), 0,05% (клас B) і 0,1% (клас C). Температурний дрейф коефіцієнта ділення надзвичайно низький і не перевищує 2 ppm / ° С.

Мал. 4. Застосування прецизійної ланцюжка резисторних подільників MAX5491

аналогові мультиплексори

Основне призначення аналогових мультиплексорів - передача даних від декількох джерел сигналу до одного приймача. Використання аналогового мультиплексора допомагає наростити кількість каналів при використанні одного АЦП. Основними вимогами, що пред'являються до аналогових мультиплексорам, є мінімальний опір каналу у відкритому стані, максимальний опір в закритому стані, швидкодія, температурний дрейф характеристик, споживана потужність, величини комутованих напруг і струмів, а також наявність вбудованих додаткових функцій.

MAX14778 - це аналоговий мультиплексор з можливістю мультиплексування сигналу в діапазоні ± 25 В, з широким діапазоном харчування - від 3 до 5 В, із захистом від статичної напруги ± 6 кВ. Відмінною особливістю мультиплексора MAX14778 є те, що, крім аналогових сигналів, він може виступати як комутатор будь-яких інтерфейсів, наприклад - в комбінованих ССД.

Для комутації високовольтних сигналів Maxim випускає серію аналогових мультиплексорів з розширеним діапазоном рівня вхідного сигналу, наприклад - MAX14752, MAX14753. Діапазон напруг вхідних сигналів до 72 В. Обидва мультиплексора працюють як при біполярному харчуванні від ± 10 до ± 36 В, так і при однополярному від 20 до 72 В. Для даних мультиплексорів характерний низький опір відкритого каналу (типове значення 0,03 Ом), мало мінливий у всьому діапазоні напруг живлення.

Пристрій вибірки / зберігання

ПВЗ призначене для зменшення похибки у вихідному сигналі перетворювача, пов'язаної з невизначеністю значення вхідного сигналу протягом часу перетворення при дуже швидкому його зміні. ПВЗ потрібні також для багатоканальних систем збору даних, де вони забезпечують зберігання вибірки для конвертування валюти по одному каналу, в той час як мультиплексор перемикається на інший канал. Використання ПВЗ дозволяє звести до мінімуму апертурну похибка. Основними критеріями, що пред'являються до пристроїв вибірки / зберігання, є швидкість вибірки, період утримання сигналу, споживана потужність і габаритні розміри.

DS1843 - це високошвидкісне ПВЗ для роботи з сигналами до декількох ГГц. Час захоплення DS1843 складає менше 300 нс, а час утримання сигналу - понад 100 мкс. DS1843 випускається в мініатюрному корпусі mDFN (2 × 2 мм), що допоможе зберегти місце на платі.

Аналого-цифрові перетворювачі

Аналого-цифровий перетворювач є найважливішим компонентом ССД, визначальним метрологічні характеристики, а також швидкодію всієї системи. Сучасний АЦП - це складний пристрій, технологією виробництва якого володіє далеко не кожен виробник електронних компонентів. Основними параметрами АЦП є метрологічні характеристики, швидкодія, функціональна повнота, вартість, тип зовнішнього інтерфейсу, споживана потужність, тип корпусу.

Компанія Maxim випускає широку номенклатуру АЦП (таблиця 2), з якої можна вибрати перетворювач для застосування практично в будь-якому додатку.

Таблиця 2. Приклад АЦП компанії Maxim

НайменуванняДозвіл, бітКількість преобр / сКількість входівСпоживана
потужність, мВтІнтерфейсMAX11201

24 120 1 диф 300 мкА 2-WIRE SERIAL MAX11202 / 08/12/05 24/20/18/16 120 1 диф 300 мкА 2-WIRE SERIAL MAX11200 / 07/11/03 24/20/18 / 16 480 1 диф 300 мкА SPI, QSPI ™, MICROWIRE ™ MAX11210 / 06/09/13 24/20/18/16 480 1 диф 300 мкА SPI, QSPI ™, MICROWIRE ™ MAX11040K / 60 24/16 до 64K 4 диф 36 мА, 3,3 В SPI- / QSPI- / MICROWIRE- / DSP-Compatible 4-Wire Serial Interface MAX11044 / 5/6
MAX11054 / 5/6 16
14 250К 4/6/8 50 мА 16-Bit / 14-Bit, High-Speed, Parallel Interface

Нове сімейство АЦП MAX112xx розроблено для застосування в низькошвидкісних прецизійних вимірювальних приладах. Це сімейство прецизійних АЦП з роздільною здатністю 24, 20, 18, 16 розрядів. Ефективна кількість біт доходить до 24 при швидкості роботи п'ять перетворень в секунду. Варто відзначити рекордно низьку вартість АЦП цього сімейства. Воно містить моделі з різним функціональним набором, наприклад, MAX11202 - АЦП без додаткових периферійних модулів і функцій, що дозволяє оптимізувати собівартість системи. Модель MAX11210 вже має на борту високоомні вхідні буфери, малошумящий програмований підсилювач, вбудований джерело тактирования, модуль програмованих портів введення / виводу. Використання програмованого підсилювача дає можливість оптимізувати (якщо це можливо) структуру вимірювального тракту, виключивши пристрій посилення і нормування сигналу. Вбудований джерело тактирования і модуль програмованих портів введення / виводу дозволяють розширити функціонал мікроконтролера, задіявши тільки три сигнали інтерфейсу для роботи з АЦП. Ця функція корисна у випадках, коли потрібно реалізувати гальванічну розв'язку між цифровою частиною і аналоговим каналом ССД. Розв'язавши всього три лінії інтерфейсу, мікроконтролер, за допомогою вбудованого модуля портів введення / виводу АЦП, може керувати будь-якими іншими пристроями, що знаходяться на стороні ізольованого каналу (мультиплексори, ПВЗ, транзисторні ключі і т.д.).

АЦП сімейства MAX112xx з однаковим функціональним набором, але різними роздільними здатностями, повністю сумісні, що дозволяє оптимізувати склад вимірювального тракту. Легко підвищити метрологічні характеристики системи, замінивши АЦП з більш низькою роздільною здатністю на АПЦ з більшою, чи не переробляючи при цьому друковану плату. Крім того, це дозволяє розробнику легко перейти з молодшої моделі перетворювача на старшу без тимчасових витрат на освоєння. Перераховані переваги, а також рекордно низька споживана потужність (до 300 мкА максимум), мініатюрні габаритні розміри (корпусу QSOP) і низька вартість дозволяють реалізувати ССД з оптимально підібраним і налаштованим АЦП в кожному каналі для перетворення необхідного сигналу без істотного збільшення собівартості, споживання і габаритних розмірів всієї системи. Або підвищити універсальність системи збору даних.

Серії АЦП MAX11040K і MAX11060 розроблені для ССД, які працюють у складі систем оцінки якості електромереж, пристроїв релейного захисту, в медичних системах виміру (ЕКГ) і для будь-яких інших застосувань, де потрібно одночасна обробка сигналів з різних джерел. MAX11040K і MAX11060 - це прецизійна серія АЦП з роздільною здатністю 24/16 біт і максимальною швидкістю роботи до 64 тисяч перетворень в секунду. Основною особливістю даної серії є здатність одночасної обробки сигналів, що надходять на перетворювач. Підтримка каскадної схеми включення АЦП дозволяє обробляти до 32 незалежних каналів за допомогою однієї команди. Кожен канал MAX11040K / 60 містить Сигма-Дельта АЦП і цифровий фільтр нижніх частот. Функція виявлення виходу сигналу за діапазон вимірювань дозволяє виявити і вжити заходів для захисту ланцюгів вимірювання. MAX11040K / 60 надають можливість програмної установки затримки перед початком перетворення кожного каналу. Перетворення одного сигналу усіма каналами з поділом за часом дозволяє звести до мінімуму значення апертурними похибки при високій швидкості перетворення.

Як і сімейство MAX112xx, вироби серії MAX11040K / 60 повністю сумісні один з одним, що дозволяє легко взаимозаменять MAX11040K і MAX11060 для досягнення оптимальної роздільної здатності.

Найбільш прогресивним перспективним способом є побудова ССД із застосуванням систем на кристалі. Для більшості сучасних завдань існують готові рішення, виконанню у вигляді систем на кристалі. Використання таких систем дозволяє знизити часові та економічні витрати, а, отже, і собівартість ССД. Використання систем на кристалі спрощує побудову всієї ССДпо порівнянні з побудовою окремо взятого тракту обробки аналогового сигналу на окремих компонентах.

Системи прецизійного нормування, обробки і перетворення сигналів з датчиків фізичних величин

Ці пристрої дозволяють спростити структуру ССД, виключивши схеми посилення і нормування, побудовані на операційних і вимірювальних підсилювачах (див. Таблицю 3).

Таблиця 3. Приклад спеціалізованих рішень для обробки сигналів з датчиків фізичних величин

Пристрій попередньої обробки сигналу з тензометричного перетворювача MAX1454 Прецизійна схема попередньої обробки сигналу з тензометричного перетворювача MAX1464 Многоканальная малошумящими схема попередньої обробки сигналів датчиків з низьким енергоспоживанням MAX1402 Перетворювач сигналу резистивного датчика температури MAX31855 Перетворювач термопари схемою компенсації температури холодного спаю

Так, наприклад, MAX1454 є прецизионную, надійну, стійку до відмов високоінтегрірованную схему попередньої обробки сигналу. До її складу входять всі необхідні аналогові вузли, що забезпечують посилення, калібрування і температурну компенсацію вхідного сигналу і не вносять при цьому шуми квантування. Зсув нуля, установка робочого діапазону напруг і калібрування виробляються за допомогою вбудованого 16-бітного ЦАП, що забезпечує легкість заміни датчиків. Наявність захисту від перевантаження і переполюсовкі по входу в межах до 45 В, обмеження вихідного струму і схеми виявлення несправності первинного перетворювача дозволяють створити високонадійне вимірювальний пристрій.

АЦП з функціоналом систем збору даних

АЦП серії MAX11044 / 5/6 і MAX11054 / 5/6 (рисунок 5) істотно полегшують завдання розробки ССД, так як містять велику частину функціональних вузлів, таких як ПВЗ, 16- і 14-розрядний АЦП в кожному каналі. Наявність в кожному каналі ПВЗ і АЦП дозволяє проводити одночасне перетворення всіх сигналів. При цьому швидкість роботи досягає 250 тисяч перетворень в секунду на канал. Входи сімейства MAX1104x / 5x є високоомними (до 1 ГОм), підтримують широкий діапазон вхідного сигналу ± 5 В. Вбудований тактовий генератор і джерело опорної напруги (ДОН) дозволяють скоротити до мінімуму кількість необхідних зовнішніх компонентів.

Мал. 5. Структурна схема АЦП сімейства MAX11044 / 5/6 і MAX11054 / 5/6

Застосування АЦП сімейства MAX1104x / 5x дозволяє реалізувати досить універсальну високошвидкісну ССД з мінімальними тимчасовими витратами. Однак в разі обробки сигналів з різними рівнями діапазонів зміни необхідно проектування додаткових блоків попередньої обробки сигналів. Спростити електричну схему шляхом виключення схем посилення і нормування дозволяє використання багатоканального аналого-цифрового перетворювача MAX1602. Це 16 розрядний 8-канальний АЦП зі швидкістю роботи до 115 тисяч перетворень в секунду. Відмінною особливістю MAX1602 є можливість індивідуальної настройки діапазону вимірювання кожного каналу. Завдяки невеликій споживання в сплячому режимі (близько 2 мкА) і мініатюрному корпусу TSSOP MAX1602 відмінно підходить для побудови малогабаритних переносних ССД з автономним живленням.

На базі MAX1400 / 1/2/3 можна побудувати високопрецизійне закінчену промислову систему збору даних з використанням мінімального набору зовнішніх компонентів. MAX1400 / 1/2/3 за своєю структурою являє систему збору даних (малюнок 6). Це дельта-сигма АЦП з високою роздільною здатністю і малим споживанням. MAX1400 містить на борту аналоговий мультиплексор, програмований малошумний підсилювач (PGA), джерело струму для детектування несправності первинного перетворювача, ЦАП для формування зсуву вхідного сигналу, цифровий фільтр.

Мал. 6. Структурна схема MAX1400

Інтегральні системи збору даних

Найзручнішим і надійним рішенням є використання готової інтегральної системи збору даних на одному кристалі (див. Таблицю 4). Наприклад, MAX1358B - це інтелектуальна ССД з багатим набором периферії. Пристрій містить 16 розрядний АЦП, ЦАП, операційні підсилювачі, систему ІОН, годинник реального часу, модуль портів введення / виводу, модуль генератора переривань. Наявність двох 10-канальних аналогових мультиплексорів і програмованого підсилювача дозволяє побудувати готову систему збору даних без використання зовнішніх аналогових компонентів. Управління всіма периферійними модулями здійснюється за допомогою інтерфейсів SPITM / QSPITM або MICROWIRETM.

Таблиця 4. Приклад інтегральних систем збору даних

Система збору даних Багатий набір периферійних модулів MAX1407 / 8/9/14 Система збору даних Невеликі габаритні розміри, мале споживання 78M6618 Система на кристалі для лічильників електроенергії Містить мікропроцесорний ядро

Говорячи про готових системах збору даних, не можна не згадати про сімействі 78М66хх. Ці системи на кристалі призначені для вимірювання споживання енергії по високовольтних електромережах. Пристрої містять всі необхідні периферійні модулі для реалізації завдань такого роду. Варто відзначити те, що якщо метрологічні характеристики і швидкодія даного сімейства дозволяють, його можна використовувати як систему збору даних на одній мікросхемі. 76M6618 містить 21-розрядний дельта-сигма АЦП, вбудований ІОН, датчик температури. Вбудоване процесорний ядро ​​8051 дозволяє реалізувати збір і первинну обробку безпосередньо на одному кристалі.

Висновок

У даній статті наведена лише невелика частина компонентів, на яких можна реалізувати системи збору даних. Набір компонентів, що випускаються для кожного вузла, набагато більше, і вибирати компонент для реалізації того чи іншого вузла необхідно, спираючись на технічні вимоги, що пред'являються до проектованої системі збору даних.

Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка - e-mail: [email protected]

Про компанію Maxim Integrated

Компанія Maxim Integrated є одним з провідних розробників і виробників широкого спектра аналогових і цифро-аналогових інтегральних систем. Компанія була заснована в 1983 році в США, в місті Саннівейл (Sunnyvale), штат Каліфорнія, інженером Джеком Гіффорд (Jack Gifford) спільно з групою експертів зі створення мікроелектронних компонентів. На даний момент штаб-квартира компанії знаходиться в м Сан-Хосе (San Jose) (США, Каліфорнія), виробничі потужності (7 заводів) і ... читати далі