V úvodním článku s názvem Navrhujeme měřicí systém s 16bitovým rozlišením jsme věnovali pozornost některým nezbytným požadavkům pro hodnověrné výsledky v přesných měřicích aplikacích. Dnes budeme pokračovat návrhem plošného spoje, při kterém lze také napáchat spoustu prohřešků; nebo raději ne. Odstrašující histogramy na samotném konci článku jsou totiž více než výmluvné.

Inu, jak říká jedno staré přísloví, sládek pivo vaří a hospodský ho dělá. Podobné je to i v našem případě, kdy výrobce své čipy naučil poměrně slušnému chování a tak je přece nenecháme jen tak zvlčet!

Plošný spoj a jeho motivy

Stejně jako dříve budeme i zde vycházet z vícekanálového, souběžného monitorování výkonových sítí, přičemž A/D převod a vše co k němu patří zatížíme rozmanitými interferencemi a všudypřítomným rušením.

Blokový diagram typického dohledu nad výkonovým systémem s vyznačenými zdroji rušení a příčinami interferencí, ovlivňujícími rozlišení včetně celkové přesnosti (viz také předchozí článek)

Potlačujeme rušení, třeba dolní propustí

Elektrické kabely včetně celého rozvodného systému provází řada kapacitních nebo také induktivních vazeb, kterými prostupují nejrůznější zdroje rušení. Další přičinou interferencí se pak stává samotná dynamická podstata přenosové sítě. Pracovní kmitočet měřicích transformátorů napětí a proudu je sice 50 nebo také 60 Hz, ve skutečnosti však jejich šířka pásma dosahuje až na hranici 100 kHz, což znamená, že výraznějšího potlačení rušení z principu dosáhneme teprve v oblasti stovek kHz a výše.

Měřicí transformátory napětí a proudu připravují vstupní signály ke zpracování A/D převodníkem

Další podstatný zdroj rušivého pozadí vytváří užitečné elektronické součástky na plošném spoji, např. procesor nebo napájecí zdroj, zejména ten menší a účinnější – spínaný. Z těchto důvodů vybavujeme každý vstupní kanál A/D převodníku vhodnou dolní propustí, která umravní rušení a ještě k tomu zajistí náležitý antialiasing. Sluší se zdůraznit, že filtr by měl být umístěn co nejblíže k samotnému vstupu A/D převodníku.

Typické zapojení MAX11046

Schéma zapojení zachycuje praxí prověřené řešení s využitím obvodu MAX11046 v rámci jeho vývojového kitu. Kanály CH2 až CH7 přivádíme měřený signál do převodníku přímou cestou, tj. bez vstupního zesilovače. Z tab. 5 (viz předchozí článek) vyplývají doporučené velikosti odporu a kapacity pro danou vzorkovací rychlost. V případě 10 ksps pak třeba obdržíme typické hodnoty

• R = 4.6 kΩ
• C = 1 000 pF

První dva kanály CH0 a CH1 zase můžeme využít ve spojení s vnějším bufferem, tolik potřebným pro vzorkování rychlostí 100 ksps a výše.

Blokový diagram převodníku MAX11046

Zemnit a stínit

Aneb „pomáhat a chránit“ citlivé analogové trasy na plošném spoji před rušením, interferencemi a přeslechy ze sousedních kanálů a to na jejich trnité cestě od vstupních konektorů až na samotný vstup převodníku. Jeden z možných způsobů zachycuje následující obrázek. Takový návrh rozhodně nebude degradovat již tak vysokou vzájemnou izolaci mezi jednotlivými měřicími kanály MAX11046.

Ochrana analogového signálu na cestě ze vstupního konektoru směrem k A/D převodníku MAX11046

Obecná pravidla návrhu plošného spoje

Vhodným postupem lze při souběžném, multikanálovém měření s A/D převodníkem dosáhnout nesrovnatelně lepších výsledků:

• Použijte PC boardy se zemními plochami
• Zajistěte vzájemné oddělení analogové a digitální části
• Nikdy nenechte běžet digitální a analogové spoje paralelně vedle sebe
• Spoje s digitálními signály rozhodně nepatří pod pouzdro A/D převodníku
• Použijte nedělenou zemní plochu; analogové signály přicházejí z jedné strany, zatímco ty digitální z druhé
• Proudová smyčka se musí zpětně uzavírat do napájecího zdroje nejkratší možnou, nízkoimpedanční zemní cestou
• Blokujte co nejblíže samotného integrovaného obvodu každý pin s analogovým (AVDD) a digitálním (DVDD) napájením vůči zemi pomocí 0.1 μF keramických kondenzátorů a minimalizujte tak parazitní indukčnosti
• Přidejte nejméně jednu 10 μF blokovací kapacitu pro AVDD a DVDD na každém PC boardu
• Všechny vstupy pro napájení AVDD a DVDD propojte pomocí dvou výkonových ploch
• Výkonovou vrstvu pro AVDD směrujte na stranu analogového rozhraní převodníku, zatímco výkonová vrstva pro DVDD bude korespondovat s digitální částí převodníku

Následující obrázky zachycují příklad optimálního rozvržení součástkové základny včetně vzájemného pospojování 8kanálového systému sběru dat s převodníkem MAX11046. Stejně jako na vývojovém kitu i zde využíváme celkem šest vrstev plošného spoje se zemní vrstvou a oddělenými výkonovými plochami. Precizní analogové senzory nebo modelový, signálový generátor připojíme pomocí stíněných, koaxiálních konektorů BNC1 až BNC8, přičemž vstupy BNC1 a BNC2 mohou být připojeny přímo nebo také přes externí buffer. Popsaný návrh, při kterém zavedeme výkonové plochy, výrazně snižuje vlastní odpor, kapacitu nebo také indukčnost výkonových spojů, čímž zlepšuje parametry celého systému.

Příklad rozmístění součástek v 8kanálovém měřicím systému s převodníkem MAX11046

Vrstva 2 plošného spoje a její oddělení výkonových ploch

Vrstvou 3 přivádíme vstupní signály

Oddělení výkonových částí pro napájení analogové a digitální části se odehrává na čtvrté vrstvě

Nerozdělená zemní plocha páté vrstvy

Naměřené výsledky

Odstrašující obrázky srovnávají poctivý návrh s tím druhým, poněkud volnomyšlenkářštějším. Na vstupy měřicího systému s převodníkem MAX11046 byla nasazena precizní napěťová reference MAX6126 s výstupním stejnosměrným napětím 2.048 V, zatímco výstup A/D převodníku nabýval hodnot v rozsahu +/- 32 768. První histogram zachycuje odezvu jakéhosi zákaznického prototypu plošného spoje, který byl postižen celou řadou prohřešků proti výše popsaným, mnohdy obecným pravidlům. Měření a následně vynesený histogram ukazuje, že šum spolu s interferencemi snížil efektivní počet bitů celého odbytého systému na cca 11.5. Sejmuté vzorky byly nestabilní, což jen odráželo naprostou nepředvídatelnost zamýšleného měření.

Výstupní histogram měření na „odfláknutém“ plošném spoji

Následující graf zobrazuje výsledky, ke kterým vedly úpravy zákaznického prototypu ve smyslu výše zmíněných poznatků o výkonových sekcích, zemi a ochraně měřeného signálu na vstupu. Histogram zaznamenal výrazné zlepšení na efektivní počet bitů cca 13.5. Naměřené vzorky se konečně staly opakovatelnými, čímž zohlednily úměrné zlepšení stability celého měření.

Zákazník zapracoval na některých doporučeních od poněkud zkušenějšího výrobce

Poslední histogram konečně odráží naměřené výsledky v režii samotného výrobce. Efektivní počet bitů činí cca 14 a měření lze velmi přesně a s vysokou stabilitou kdykoli zopakovat.

A tak měří machři...

Závěr:

Měřit a zužitkovat přitom precizní vlastnosti jakostních převodníků nemusí být tak složité, jak se na první pohled může zdát. Je však potřeba věnovat alespoň nějakou pozornost zmiňovaným kritickým místům, kterými jsou např.

• Filtr typu dolní propust
• Nízkošumové vstupní zesilovače (buffery)
• Přesná a stabilní reference
• Vhodné rozmístění součástek
• Motiv plošného spoje
• Filtrace rušení včetně zvlnění napájecího zdroje

Každý originální návrh však zpravidla bývá jedním velkým kompromisem mezi mnoha vstupními proměnnými. Z vlastní zkušenosti vím, jak náročné může být v rámci sériově vyráběného systému pouhé prosazení dražší reference a stabilnějších operačních zesilovačů, když s těmi předchozími začínáme vybočovat z požadovaných mantinelů přesnosti a finanční rozpočet je již tak díky galvanickému oddělení a použitému DSP pořádně napnutý. Je tedy na vývojáři, jak se zachová, o čem všem ještě dokáže přesvědčit svého chlebodárce, co na základě kolektivního odborného rozhodnutí zákazník v dobré víře nakonec naměří a jak hodně se přitom bude divit.

Použitá literatura:

• [1] http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/4359
• [2] http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/4281
• [3] http://www.maxim-ic.com/design_guides/en/AD_CONVERTERS_28.pdf

Download a odkazy:

• Domovská stránka Maxim: http://www.maxim-ic.com/
• Distributor pro ČR: http://www.mespraha.cz/
• Navrhujeme měřicí systém s 16bitovým rozlišením (hw.cz)