고정밀 다중 센서 시스템에서 델타-시그마 ADC 사용

오일, 가스 및 석유 측정을 위한 다중 센서 구성은 민감한 압력 및 열 데이터를 지속적으로 수집합니다. 그러나 물리적 온도 및 압력 엔티티의 다양한 조합을 캡처하려면 매우 간결한 고해상도 시스템이 필요합니다.

요구되는 고해상도 센서 회로가 광범위한 온도 및 압력에 걸쳐 있기 때문에 이는 설계자에게 어려운 일입니다. 대부분의 경우 다중 센서 전자 장치는 공장에서 적용하기에는 너무 크며 개별 아날로그 신호 조절은 정확하지 않거나 충분히 견고하지 않습니다(그림 1).

그림 1:압력 안전 밸브는 배관 시스템을 과압으로부터 보호합니다. (출처:Shutterstock)

다중 센서 전자 장치에 대한 솔루션은 고해상도 ADC에 있습니다. 열전대, 저항 온도 감지기(RTD), 압력 센서 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 조합은 정밀한 고속 다중 채널 델타-시그마(ΔΣ) ADC로 달성할 수 있습니다. RMS 노이즈입니다. 이것은 석유, 가스 및 석유 전자 제품을 위한 고정밀의 견고한 다중 센서 시스템을 만듭니다.

이 문서에서는 ΔΣ ADC를 사용하여 정확한 온도 및 압력 셀 인터페이스를 달성하는 것과 관련된 문제에 대해 간략하게 설명합니다.

압력 감지

압력 측정 장치는 전기적 여기가 필요한 장치와 압력이 유일한 동력원인 장치입니다. 기계식 장치에는 벨로우즈, 다이어프램, 부르동, 튜브 및 압력계가 포함됩니다. 이러한 장치를 사용하면 압력의 변화가 기계적 암의 위치나 튜브의 액체 레벨의 변화와 같은 기계적 반응을 시작합니다.

전기적으로 여기된 압력 센서는 ΔΣ ADC 및 마이크로컨트롤러와 시너지 효과를 발휘합니다. 이러한 센서는 용량성 센서, 선형 가변 차동 변압기(LVDT) 또는 압저항 센서일 수 있습니다. 일반적으로 압저항 센서가 선택되는 장치입니다(그림 2).

그림 2:압저항 압력 센서(a)는 일반적으로 선택되는 장치입니다. 압저항 브리지 모델(b)의 높은 쪽에는 전압 또는 전류 여기가 필요합니다. (출처:Maxim Integrated)

그림 2a에서 제작된 센서의 윗면은 저항성 물질이고 아랫면은 다이어프램입니다. 압저항 브리지 모델(그림 2b)의 높은 쪽에는 전압 또는 전류 여기가 필요합니다. 여기의 크기는 센서 출력의 동적 범위에 영향을 미치며 V_OUT 간의 최대 차이 + 및 V_OUT – 일반적으로 수십 밀리볼트에서 수백 밀리볼트 범위인 3.3V 시스템에서. 증폭기와 ADC를 사용하여 브리지 센서를 따르는 전자 장치는 차동 출력 신호를 디지털 표현으로 변경합니다.

온도 감지의 중요성

온도 범위, 선형성, 정확도, 견고성 및 사용 용이성 측면에서 모든 애플리케이션에 적합한 다양한 유형의 온도 센서가 있습니다. 이 애플리케이션의 온도 센서는 압력 센서의 온도를 모니터링하여 신뢰할 수 있는 압력 판독값이 발생하는지 확인합니다. 이 온도 측정을 수행하기 위해 이 애플리케이션은 K형 열전대와 RTD를 사용합니다(그림 3).

그림 3:2리드 TYPE-K 열전쌍은 냉접점 보상(CJC)을 위해 RTD로 두 번째 온도 측정이 필요합니다. (출처:Maxim Integrated)

그림 3에서 견고한 열전대 온도 센서는 최대 +1260°C의 고온을 감지할 수 있는 반면 RTD는 열전대/구리 접합부의 온도를 측정합니다.

고해상도 ADC

ADC를 사용하면 해상도와 속도 사이에 매우 강력한 절충안이 있습니다. 가장 빠른 컨버터 중에서 파이프라인 ADC는 최대 12비트의 상당한 분해능을 생성하면서 수십 Gsps의 속도로 데이터 속도를 생성할 수 있습니다.

중도 ADC는 SAR(연속 근사 레지스터) 변환기입니다. 이 변환기는 약 10Ksps ~ 10Msps 및 최대 18비트 분해능 증가에서 작동하는 파이프라인 변환기보다 느린 출력에서 ​​샘플을 생성합니다. SAR 변환기는 허용 가능한 입력 전압 LSB(최소 중요 비트) 크기가 마이크로볼트(μV)인 경우 좋은 산업 장비입니다. 그러나 애플리케이션이 나노볼트(nV) 영역에서 LSB 크기를 변환해야 하는 경우 실행 가능한 유일한 대안은 ΔΣ ADC입니다(그림 4).

그림 4:기본 ΔΣ ADC는 입력 전압을 ΔΣ 변조기로 변환합니다. (출처:Maxim Integrated)

그림 4의 ΔΣ ADC는 입력 전압을 ΔΣ 변조기로 변환합니다. 변조기는 아날로그 입력 전압을 나타내는 1비트 노이즈 모양의 펄스 열을 생성합니다. 그런 다음 변환기는 1비트 펄스 열을 누적하고 오버샘플링을 통해 신호에 대해 다양한 디지털 필터링을 수행합니다. 시간이 지남에 따라 필터는 고주파수 노이즈를 거부하고 최대 24비트의 다중 비트 결과를 생성합니다. 변환기는 이 결과를 외부 마이크로컨트롤러의 출력 단자로 보냅니다.

ΔΣ 변조기

ΔΣ 변조기는 ADC의 잡음 감소 프로세스를 시작합니다. 이 변조기를 자세히 조사하면 ΔΣ 레이블이 어디에서 왔는지 빠르게 알 수 있습니다(그림 5).

그림 5:2차 ΔΣ 변조기는 프론트 엔드 Δ 기능과 2개의 적분기(Σ 기능)를 포함하는 피드백 시스템으로 구성됩니다. (출처:Maxim Integrated)

그림 5에서 두 개의 적분기 이후에 신호는 샘플링 주파수와 동일한 샘플링 속도(F_S)로 1비트 ADC를 통해 변환됩니다. ) 그런 다음 동일한 샘플 속도로 1비트 DAC를 통해 두 적분기의 입력으로 피드백합니다. 이 시스템에는 양자화 노이즈(e_i ) 1비트 ADC를 사용합니다. 그림 5 하단의 공식에 따르면 노이즈는 이전 변환의 노이즈와 함께 출력에 나타납니다.

변조기는 변조기의 출력에서 ​​신호 축적에 대한 잡음 형성 효과를 생성합니다. 이 잡음 형성 효과는 1비트 변환 양자화 잡음을 더 높은 주파수로 형성합니다(그림 6).

그림 6:변조기 출력의 잡음은 잡음 형태의 응답을 생성합니다. (출처:Maxim Integrated)

그림 6에서 시스템의 Nyquist 주파수는 변조기의 샘플링 주파수 F_S입니다. . 변조기의 순서는 주파수에 대한 양자화 잡음의 수준을 결정합니다(그림 7).

그림 7:이 그래프는 1차, 2차 및 3차 변조기의 잡음 형성 기능을 보여줍니다. (출처:Maxim Integrated)

그림 7에서 저차 변조기의 양자화 잡음은 DC 근처에서 더 높고 고주파수에서 더 낮습니다. ΔΣ ADC는 변조기의 1비트 출력 스트림을 수집하거나 오버샘플링하고 저역 통과 디지털 필터링을 실행합니다.

디지털/데시메이션 필터

ΔΣ ADC 코어를 사용하면 시스템 노이즈를 줄이기 위해 두 가지 동작이 발생합니다. 변조기는 양자화 잡음을 더 높은 주파수로 성공적으로 형성하고 디지털/데시메이션 필터는 고주파수 잡음을 감쇠시킵니다.

ADC의 출력 데이터 속도는 다음 디지털 저역통과 필터 차단 주파수에 따라 F_D입니다. . 디지털/데시메이션 필터(그림 4의 점선)의 주파수 응답은 고주파수 노이즈를 성공적으로 감쇠합니다.

완료 ΔΣ ADC 사진

코어에서 완벽하게 작동하는 ΔΣ ADC에는 ΔΣ 변조기, Sinc 및 유한 임펄스 응답(FIR) 디지털 필터가 필요합니다(그림 8).

그림 8:이 다이어그램은 압력 센서 및 온도 센서 입력이 있는 완전한 작동 ΔΣ ADC를 보여줍니다. (출처:Maxim Integrated)

코어 ΔΣ ADC 블록 다이어그램(그림 4)에는 디지털/데시메이션 필터가 있습니다. 그림 8의 실제 ΔΣ ADC에는 공통 Sinc 및 FIR 디지털 필터가 있어 컨버터의 저잡음 그림을 완성합니다.

Sinc 디지털 필터는 저역 통과 필터 기능을 수행합니다. 1차 필터 설계는 하나의 데이터 워드 기간에 정착합니다. 4차 Sinc 필터 또는 Sinc ⁴ 4개의 데이터 워드 기간으로 설정됩니다. 주파수 영역 필터 모양은 주파수가 낮아지면서 나타납니다(그림 9).

그림 9:이 그래프는 3차 Sinc 필터(Sinc ³ ). (출처:Maxim Integrated)

그림 9에서 가장 낮은 감쇠는 50Hz 또는 60Hz의 배수와 같은 편리한 주파수와 일치하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 그림 8의 기기는 Sinc ⁴ 를 구현합니다. 디지털 필터.

Sinc 디지털 필터의 둥근 특성은 구현하기 가장 간단한 디지털 필터 중 하나이므로 혼합 신호 응용 프로그램에서 매우 유용합니다. 그러나 더 날카로운 모서리가 선호되는 응용 프로그램이 있습니다. FIR 필터는 안정성의 이점과 함께 더 날카로운 모서리를 제공합니다. 그림 8의 ΔΣ ADC에는 50Hz/60Hz 필터가 있어 초당 16샘플의 데이터 속도에서 50Hz 및 60Hz에서 90dB 이상의 제거를 제공합니다.

완전한 ΔΣ ADC(그림 8)에는 입력 멀티플렉서, PGA(프로그래밍 가능한 이득 증폭기), 복합 디지털 필터, 클록 생성기 및 기준 매트릭스와 같은 추가 보조 기능이 있습니다. PT100 RDT, 160μA 전류 소스, 128의 PGA 이득을 갖춘 MAX11410 ΔΣ ADC는 1.234V ~ 2.837V의 입력 범위를 제공합니다. Sinc ⁴ 에 이 24비트 컨버터가 포함되어 있습니다. 구성에서 전압 LSB 크기는 0.039μV_RMS입니다. . 온도 정확도는 ±100°C 범위에 있으며 RTD 정확도는 ~4.7μ°C/bit입니다.

이 기사에서는 석유, 가스 및 석유 전자 제품을 위한 ΔΣ ADC를 사용하여 정확한 온도 및 압력 셀 인터페이스를 달성하는 것과 관련된 문제를 제시했습니다. 애플리케이션 회로는 압력, 열전대 및 RTC 센서를 사용하여 단일 장치 변환을 달성합니다. 여기서 주요 사양은 노이즈, 입력 멀티플렉서 및 BOM(Bill-of-Materials) 비용입니다.

>> 이 기사는 원래 다음 날짜에 게시되었습니다. 자매 사이트인 EDN.