繼幾代定制臺(tái)式儀器之后，繼續(xù)向具有更大靈活性、軟件控制和更小外形尺寸的模塊化儀器過(guò)渡。然而，在滿足噪聲和測(cè)量精度目標(biāo)的同時(shí)降低功耗仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

遠(yuǎn)離臺(tái)式儀器的一個(gè)變化是能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)性。從物流的角度來(lái)看，大型定制和基于機(jī)架的系統(tǒng)具有局限性。將機(jī)柜/桌面設(shè)備分解為更小的節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)自定義配置，并針對(duì)測(cè)試站點(diǎn)或受試者的環(huán)境和地理位置優(yōu)化儀器。通過(guò)將測(cè)量?jī)x器分解成更小的節(jié)點(diǎn)來(lái)提高測(cè)量?jī)x器的移動(dòng)性，從而減少布線和安裝難題。與本地移動(dòng)儀器的布線連接比將長(zhǎng)電纜追溯到中央機(jī)架或臺(tái)式儀器更容易。恢復(fù)驗(yàn)證接線和修復(fù)接線錯(cuò)誤連接所花費(fèi)的時(shí)間。盡管外形尺寸不斷變化，但對(duì)最佳測(cè)試性能、確定性和準(zhǔn)確性的需求仍然存在。

應(yīng)用領(lǐng)域

具有高動(dòng)態(tài)范圍的模塊化平臺(tái)儀器相當(dāng)于21世紀(jì)的卷尺。該儀器提供在各種專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步創(chuàng)新、研究和開(kāi)發(fā)所需的測(cè)量功能。

材料科學(xué)研發(fā)領(lǐng)域的測(cè)試，從風(fēng)車(chē)葉片的結(jié)構(gòu)分析到渦輪機(jī)的健康、福祉和電力輸出。

測(cè)量應(yīng)變/壓電傳感器的輸出，調(diào)節(jié)這些電壓，并為結(jié)構(gòu)健康和材料開(kāi)發(fā)進(jìn)行定量分析，并提供無(wú)干擾的清晰測(cè)量。

汽車(chē)座艙噪聲測(cè)量。在原型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將放置在車(chē)內(nèi)的麥克風(fēng)的輸出數(shù)字化，直至實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的控制回路，從而提高工廠車(chē)間的生產(chǎn)吞吐量。

電氣測(cè)試：

音頻測(cè)量支持開(kāi)發(fā)用于聲控控制和操作的高級(jí)麥克風(fēng)模塊和揚(yáng)聲器。

ATE中的無(wú)源和有源電子設(shè)備的電氣測(cè)試，其中參數(shù)測(cè)量精度和速度與測(cè)試成本有關(guān)。

EEG需要在接近直流的特定帶寬上具有極高的動(dòng)態(tài)范圍。需要更低的功率來(lái)封裝數(shù)百個(gè)同步測(cè)量通道，以封裝到一個(gè)小尺寸中。

這些廣泛的應(yīng)用具有同樣廣泛的通道數(shù)。工業(yè)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn) 8 通道模塊可擴(kuò)展至 512 通道及以上，用于 EEG 測(cè)量。將前端測(cè)量設(shè)計(jì)擴(kuò)展到大量通道，同時(shí)保持同步采樣是關(guān)鍵。它是指導(dǎo)一代人研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和最終操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

創(chuàng)建更小的外形尺寸外殼，同時(shí)保持測(cè)量通道密度需要電源效率。將模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和鏈路的動(dòng)態(tài)范圍（之前）提高到110 dB，同時(shí)控制電流消耗是一場(chǎng)持久的戰(zhàn)斗。平衡動(dòng)態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗并不容易。

由AD7768和AD7768-4功能支持的新型ADC子系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。它能夠以比以前更高的精度數(shù)字化到更寬的帶寬，并具有跨多個(gè)通道的保真度和同步采樣。它還提供了緩解熱挑戰(zhàn)的工具，并在高動(dòng)態(tài)范圍模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗的適當(dāng)平衡。

可重新配置的熱足跡，軟件可編程測(cè)量帶寬

AD7768可以適應(yīng)測(cè)量情況。熱量、減少的空氣空間和沒(méi)有主動(dòng)冷卻都是模塊化儀器的限制，AD7768使用內(nèi)置工作模式簡(jiǎn)化了這些限制，以實(shí)現(xiàn)快速、中值和節(jié)能的功耗調(diào)節(jié)。對(duì)于給定的輸入帶寬，用戶可以決定消耗更多或更少的功率，從而減少模塊內(nèi)的熱量。一個(gè)例子是在51.2 kHz的輸入帶寬上進(jìn)行數(shù)字化。這種帶寬在基于 FFT 的分析中很常見(jiàn)，因?yàn)樗?FFT 輸出中提供了一個(gè)整數(shù)箱大小。AD7768采用磚墻數(shù)字濾波器框架，需要輸入帶寬。低紋波通帶和陡峭過(guò)渡帶在剛好高于 51.2 kHz 的頻率下具有完全衰減，這意味著奈奎斯特頻率附近沒(méi)有折返。對(duì)于AD7768，用戶可以選擇在快速或中值模式下工作。在電流消耗和動(dòng)態(tài)范圍之間做出決定，具體取決于哪個(gè)范圍對(duì)系統(tǒng)最受限制。一起來(lái)看看：

圖1.數(shù)字化 50 kHz 輸入帶寬?？焖倌Ｊ叫阅埽現(xiàn)FT顯示ADA4896-2驅(qū)動(dòng)時(shí)的性能。（AD7768處于快速模式，十進(jìn)制×64，輸出速率為128 kSPS）預(yù)充電模擬輸入緩沖器開(kāi)啟。

圖2.數(shù)字化 50 kHz 輸入帶寬。中值模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4896-2驅(qū)動(dòng)時(shí)的性能。（AD7768處于中值模式，十進(jìn)制×32時(shí)輸出速率為128 kSPS）預(yù)充電模擬輸入緩沖器導(dǎo)通。

此處使用以下基本設(shè)置演示了動(dòng)態(tài)范圍與電流消耗的權(quán)衡：MCLK = 32.768 MHz，低紋波通帶濾波器（“磚墻”），每種模式的數(shù)據(jù)速率為128 kSPS，數(shù)字化50 kHz的輸入帶寬，輸入正弦波為?0.5 dB，比滿量程低0.5 dB。圖1和圖2顯示了ADC性能的比較：模擬輸入正弦波的出色低失真數(shù)字版本。切換到中值模式可以降低電流消耗，從而將噪聲和動(dòng)態(tài)范圍降低3 dB。

在經(jīng)典的51.2 kHz測(cè)量帶寬中，用戶可以選擇降低電流或最大化ADC的動(dòng)態(tài)范圍。功率調(diào)節(jié)不僅適用于ADC，而且在ADC之前對(duì)驅(qū)動(dòng)放大器電路也存在連鎖反應(yīng)。如圖3所示，該子系統(tǒng)還包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器，通常包括用于抗混疊的信號(hào)調(diào)理。

圖3.ADC子系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)：驅(qū)動(dòng)器放大器的占位面積可以重新填充低電流放大器，同時(shí)對(duì)ADC進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。

可以選擇具有不同功耗的放大器與每種功率模式配對(duì)。該表說(shuō)明，快速模式的初始設(shè)計(jì)可以在以后進(jìn)行擴(kuò)展，以便在具有相同基本尺寸的中值或節(jié)能模式下使用，但重新調(diào)整用途以降低電流消耗。

縮放到具有中值模式的較低功率放大器有助于進(jìn)一步降低電流消耗。在中值模式下使用ADA4807-2或ADA4940-1的性能如圖4和圖5所示，在50 kHz輸入帶寬內(nèi)對(duì)交流和直流進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí)。

圖4.中值模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4807-2驅(qū)動(dòng)ADC預(yù)充電模擬輸入緩沖器導(dǎo)通時(shí)的性能。

圖5.中值模式性能，F(xiàn)FT顯示ADA4940-1驅(qū)動(dòng)ADC預(yù)充電模擬輸入緩沖器導(dǎo)通時(shí)的性能。

能夠調(diào)整和調(diào)整測(cè)量子系統(tǒng)的功耗有兩個(gè)好處。首先，嵌入式功率調(diào)節(jié)靈活性允許動(dòng)態(tài)靈活性，以改善測(cè)量范圍或測(cè)量持續(xù)時(shí)間（例如，如果模塊由電池供電）。其次，它允許創(chuàng)建基本平臺(tái)設(shè)計(jì)，可以針對(duì)特定的測(cè)量帶寬和性能點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，以便開(kāi)發(fā)定制儀器以滿足確切的最終客戶測(cè)量挑戰(zhàn)。

軟件可配置的輸入帶寬和延遲 — 將其應(yīng)用于通道組

除了使用AD7768調(diào)整ADC的電流消耗和動(dòng)態(tài)范圍外，還存在可配置的濾波功能，可根據(jù)測(cè)量情況進(jìn)行調(diào)整。磚墻、低紋波濾波器非常適合在寬頻率范圍內(nèi)提供增益精度。它們的缺點(diǎn)是積分/平均時(shí)間長(zhǎng)。因此，AD7768的群延遲相對(duì)較大，在34個(gè)數(shù)據(jù)周期范圍內(nèi)，然后才能看到模擬輸入的數(shù)字化版本。給出相對(duì)時(shí)間尺度，在250 kSPS的快速模式下運(yùn)行，每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換周期為4 μs，因此群延遲為136 μs。在控制環(huán)路或可能重視快速響應(yīng)而不是頻率增益精度的應(yīng)用中，這可能是不能容忍的。為了能夠?qū)崿F(xiàn)控制環(huán)路的高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量，可以使用sinc5濾波器。相對(duì)于寬帶濾波器，該路徑將群延遲降低了10倍。

AD7768的一個(gè)有用功能是，它可以允許用戶在通道之間混合使用濾波器類(lèi)型。每個(gè)ADC可以分配給兩組通道之一。然后，可以將每個(gè)組分配給兩個(gè)濾波器之一，并通過(guò)六個(gè)可用抽取率之一設(shè)置其速度。此功能允許在八個(gè)ADC內(nèi)完成不同的測(cè)量類(lèi)型，并允許通過(guò)軟件設(shè)置進(jìn)行配置，類(lèi)似于每個(gè)ADC分立的情況。一個(gè)示例場(chǎng)景是，在監(jiān)控重要工業(yè)資產(chǎn)時(shí)，用戶可能希望測(cè)量4 mA至20 mA變送器或電壓輸出變送器的直流輸出，同時(shí)測(cè)量另一個(gè)模擬輸入通道上的振動(dòng)傳感器。直流響應(yīng)可以從變送器讀取并饋送到控制環(huán)路，同時(shí)在單獨(dú)的同步通道上測(cè)量振動(dòng)。輸入帶寬和延遲能力的混合是創(chuàng)建用于工業(yè)環(huán)境的定制高價(jià)值儀器的基礎(chǔ)：一臺(tái)儀器在一個(gè)系統(tǒng)上同時(shí)執(zhí)行運(yùn)行過(guò)程變量和集成工廠振動(dòng)信息的雙重功能。

圖6.比較sinc5濾波器與寬帶濾波器的群延遲。Sinc5 可快速響應(yīng)模擬輸入上的輸入變化，適用于控制環(huán)路應(yīng)用，其中最小化環(huán)路延遲是關(guān)鍵。綠點(diǎn)表示群延遲時(shí)間的樣本，粉點(diǎn)表示每個(gè)濾波器的最終建立值。

圖7.為不同的濾波器類(lèi)型配置不同的ADC通道。兩組：A采用寬帶，B為新頻。每個(gè)組的抽取率也可以通過(guò)SPI進(jìn)行配置。

高性能、可擴(kuò)展的高速和低功耗可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代外形和用例

從大型固定式儀器儀表到更具移動(dòng)性和靈活性的設(shè)備不斷流行。它們?yōu)閺V泛的行業(yè)、市場(chǎng)和應(yīng)用中的高級(jí)開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新提供了寶貴的潛力。雖然存在動(dòng)態(tài)范圍、輸入帶寬和電流消耗等挑戰(zhàn)，但先進(jìn)的ADC正在幫助緩解這些挑戰(zhàn)，并為設(shè)計(jì)人員提供比以前功能更強(qiáng)大的工具。

審核編輯：郭婷