移動(dòng)性的實(shí)現是擯棄臺式儀器儀表的一個(gè)因素?；诙ㄖ坪蜋C架的大型系統從物流角度來(lái)講有局限性。將工作柜/桌面設備分拆成較小的節點(diǎn)可實(shí)現自定義配置，并針對測試站點(diǎn)或對象的環(huán)境和尺寸優(yōu)化儀器儀表。通過(guò)將測量?jì)x器儀表拆分成較小的節點(diǎn)可以改善移動(dòng)性，并減少接線(xiàn)和安裝麻煩。與本地移動(dòng)儀器儀表的接線(xiàn)連接比部署長(cháng)線(xiàn)纜回到中央機架或臺式儀器儀表容易?；ㄔ隍炞C接線(xiàn)和更正錯誤接線(xiàn)上的時(shí)間也能節省下來(lái)。尺寸的變化暫且不論，對最佳測試性能、確定性以及精度的要求依然存在。

 

應用領(lǐng)域

 

高動(dòng)態(tài)范圍的模塊化平臺儀器儀表是二十一世紀測量設備的基本要求。儀器儀表為各式各樣專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步創(chuàng )新、研究和開(kāi)發(fā)提供了所需的測量能力。

 

●   材料科學(xué)研發(fā)領(lǐng)域的測試，從風(fēng)車(chē)葉片的結構分析到渦輪機的健康程度、維護保養和電氣輸出。

 

●   測量應力/壓電傳感器的輸出、調理電壓并實(shí)現量化分析以便進(jìn)行結構健康和材料開(kāi)發(fā)，同時(shí)提供無(wú)干擾的清晰測量。

 

●   汽車(chē)座艙噪聲測量。原型開(kāi)發(fā)期間對座艙內的麥克風(fēng)輸出進(jìn)行數字化，實(shí)現更快速、更精確的控制環(huán)路，提升工廠(chǎng)生產(chǎn)吞吐率。 ff

 

●   電氣測試：

 

   ○ 音頻測量，針對語(yǔ)音激活控制和操作開(kāi)發(fā)高級麥克風(fēng)模塊和揚聲器。

   ○ 參數測量精度和速度與測試成本有關(guān)的無(wú)源和有源電子器件中ATE內的電氣測試。

 

●   EEG需要接近直流的特定帶寬內的極高動(dòng)態(tài)范圍。要求更低的功率，以便將數百個(gè)同步測量通道封裝在小尺寸內。

 

這些種類(lèi)繁多應用具有同樣復雜的通道數。工業(yè)應用中的標準8通道模塊擴展至512通道及以上，用于EEG測量。關(guān)鍵是將前端測量設計擴展至大量通道，同時(shí)保持同步采樣。它是數據的基礎，指導了整整一代產(chǎn)品的研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和最終使用。

 

在創(chuàng )造更小封裝的同時(shí)保持測量通道密度要求高功效。增加模數轉換器(ADC)和鏈路的動(dòng)態(tài)范圍（促使其向110 dB發(fā)展），同時(shí)將電流消耗限制在合理范圍內，這是一場(chǎng)持久戰。平衡動(dòng)態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗不是容易的事。

 

依靠 AD7768 和 AD7768-4 能力實(shí)現的新ADC子系統已經(jīng)問(wèn)世。它可以憑借數字化能力實(shí)現更寬的帶寬、比以往更高的精度，提供多通道中的保真度和同步采樣。它還具有解決散熱難題的工具，可平衡高動(dòng)態(tài)范圍模塊化系統設計中的動(dòng)態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗。

 

可重配置散熱尺寸、軟件可編程測量帶寬

 

AD7768可適應測量場(chǎng)景。散熱、更小的空間以及缺少主動(dòng)式冷卻都是模塊化儀器儀表的限制，而AD7768采用內置操作模式，提供快速、中速和節能調節。對于給定的輸入帶寬，用戶(hù)可決定功耗高低，從而減少模塊內的熱量。一個(gè)例子就是在51.2 kHz的輸入帶寬內進(jìn)行數字化。這類(lèi)帶寬常用于FFT式分析，因為它在FFT輸出中提供整數倉大小。AD7768采用磚墻數字濾波器幀，需要輸入帶寬。低紋波通帶和陡峭的過(guò)渡帶結合頻率超過(guò)51.2 kHz時(shí)的全衰減，意味著(zhù)奈奎斯特頻率附近不會(huì )出現折返。對于A(yíng)D7768，用戶(hù)可以選擇快速或中速工作模式。該決策必須權衡電流消耗和動(dòng)態(tài)范圍，具體取決于系統限制哪個(gè)因素。下面我們看看具體情況：

 

圖1. 數字化50 kHz輸入帶寬?？焖倌Ｊ叫阅?，FFT表示采用ADA4896-2驅動(dòng)的性能。（AD7768為快速模式，dec × 64得到輸出速率為128 kSPS）預充電模擬輸入緩沖器開(kāi)啟。

 

圖2. 數字化50 kHz輸入帶寬。中速模式性能，FFT表示采用ADA4896-2驅動(dòng)的性能。（AD7768為中速模式，dec × 32得到輸出速率為128 kSPS）預充電模擬輸入緩沖器開(kāi)啟。

 

這里展示了動(dòng)態(tài)范圍和電流消耗的權衡，使用下列基本設置：MCLK = 32.768 MHz，低紋波通帶濾波器（“磚墻”），每種模式128 kSPS數據速率，采用1 kHz輸入正弦波數字化50 kHz輸入帶寬，滿(mǎn)量程以下–0.5 dB。圖1和圖2顯示了ADC性能對比：模擬輸入正弦波的一個(gè)出色的低失真數字版本。中速模式可降低電流消耗，但犧牲噪聲和3 dB動(dòng)態(tài)范圍。

 

表1. 數字化并創(chuàng )建51.2 kHz帶寬的FFT。選擇最高的動(dòng)態(tài)范圍或最低的電流消耗。

 

¹ 注意, ，某些供應商將此數字表示為SNR（短路輸入噪聲）。AD7768采用完整正弦波進(jìn)行測試，實(shí)施真SNR所需的完整基準范圍。

 

² 包括預充電模擬輸入緩沖器。預充電緩沖器降低模擬輸入電流以及輸入幅度，使模擬輸入更易于驅動(dòng)前置的驅動(dòng)器放大器。開(kāi)啟預充電緩沖器后，AD7768可提供失真性能上的獨特優(yōu)勢。

 

在一個(gè)經(jīng)典的51.2 kHz測量帶寬實(shí)例中，用戶(hù)可以選擇降低電流，或最大化ADC的動(dòng)態(tài)范圍。不僅功率調節適用于A(yíng)DC，此外還有一些針對ADC前的驅動(dòng)器放大器電路的連鎖效應。如圖3所示，子系統還包括一個(gè)驅動(dòng)器放大器，通常帶有信號調理，用于抗混疊。

 

圖3. ADC子系統功耗調節：驅動(dòng)器放大器尺寸面積上可重新安裝功耗更低的放大器，配合ADC功耗調節。

 

可選擇功耗不同的放大器匹配各種功耗模式。此表表明，以后可擴展快速模式的最初設計，用于中速或節能模式，且基本尺寸不變，但電流消耗降低。

 

表2. 將ADC功耗模式應用到有效的驅動(dòng)器放大器解決方案中。

 

調節至中速模式的較低功耗放大器有助于進(jìn)一步降低電流消耗。中速模式下使用ADA4807-2或ADA4940-1的性能以圖4和圖5表示，其中在50 kHz輸入帶寬范圍內數字化交流或直流。

 

圖4. 中速模式性能，FFT顯示ADA4807-2驅動(dòng)ADC預充電模擬輸入緩沖器開(kāi)啟時(shí)的性能。

 

圖5. 中速模式性能，FFT顯示ADA4940-1驅動(dòng)ADC預充電模擬輸入緩沖器開(kāi)啟時(shí)的性能。

 

調諧和調節測量子系統功耗的能力具有兩個(gè)優(yōu)勢。首先，靈活的嵌入式功耗調節允許隨時(shí)靈活改善測量范圍或測量持續時(shí)間（例如，模塊是否由電池供電）。其次，可以提供創(chuàng )建基礎平臺設計的能力，該平臺可設置和適配特定的測量帶寬和性能點(diǎn)，以便開(kāi)發(fā)定制型儀器儀表，應對確切的最終客戶(hù)測量挑戰。

 

軟件可配置輸入帶寬和延遲——將其應用到一組通道

 

除了使用AD7768 調節ADC電流消耗和動(dòng)態(tài)范圍外，還有可配置濾波，能適配測量解決方案。磚墻、低紋波濾波器能很好地提供寬頻率范圍內的增益精度。其缺點(diǎn)是具有較長(cháng)的積分/均值時(shí)間。因此，AD7768的群延遲相對較大，在看到模擬輸入的數字版本以前會(huì )存在34個(gè)數據周期的延遲。為了提供相對時(shí)間軸，當工作在250 kSPS的快速模式時(shí)，每一個(gè)數據轉換周期為4 μs，因此群延遲為136 μs。在控制環(huán)路中，或快速響應比頻率范圍內的增益精度更重要的應用中，可能無(wú)法容忍這一缺點(diǎn)。使用sinc5濾波器可以實(shí)現這些高動(dòng)態(tài)范圍測量。相對于寬帶濾波器，該路徑可降低10倍的群延遲。

 

AD7768一個(gè)有用的功能是，允許用戶(hù)在通道中混合使用各種類(lèi)型的濾波器。每一個(gè)ADC都可被分配給兩組通道之一。之后，每組都可被分配給兩個(gè)濾波器之一，并從六個(gè)可用的抽取速率中選擇一個(gè)進(jìn)行設置。這項功能可讓八個(gè)ADC完成不同的測量類(lèi)型，并允許通過(guò)軟件設置進(jìn)行配置，如同每個(gè)ADC都是獨立的。一個(gè)示例場(chǎng)景是，監控重要工業(yè)資產(chǎn)時(shí)，用戶(hù)可能希望測量4 mA至20 mA發(fā)送器或電壓輸出發(fā)送器的直流輸出，同時(shí)在另一個(gè)模擬輸入通道上測量振動(dòng)傳感器?？梢宰x取發(fā)送器的直流響應，并饋入控制環(huán)路，同時(shí)在另一個(gè)同步通道上測量振動(dòng)?；旌鲜褂幂斎霂捄脱舆t的能力是為工業(yè)設置創(chuàng )建定制型高價(jià)值儀器儀表的基礎：一個(gè)儀器儀表具有兩種功能，即運行流程變量并對工廠(chǎng)振動(dòng)信息進(jìn)行積分，兩者在一個(gè)系統上同時(shí)完成。

 

圖6. sinc5濾波器與寬帶濾波器的群延遲對比。Sinc5針對模擬輸入提供快速響應，適合環(huán)路延遲必須最小化的控制環(huán)路應用。綠點(diǎn)表示群延遲時(shí)刻的樣本，粉點(diǎn)表示每一個(gè)濾波器的最終建立值。

 

圖7. 為不同類(lèi)型的濾波器配置不同的ADC通道。兩個(gè)群：A為寬帶，B為sinc。各群的抽取速率還可通過(guò)SPI配置。

 

高性能、可擴展高速度以及低功耗成就現代尺寸和使用場(chǎng)景

 

大型固定儀器儀表正逐漸轉換為更具移動(dòng)性、更靈活的設備。它們能為各種行業(yè)、市場(chǎng)和應用的高級開(kāi)發(fā)和創(chuàng )新提供高價(jià)值潛力。面對如此具有挑戰性的動(dòng)態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗，使用高級ADC有助于緩解這些難題，并為設計人員提供更強大的工具。

 

 

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