Einsatz eines Delta-Sigma-ADC in hochpräzisen Multisensorsystemen

Multisensorkonfigurationen für Öl-, Gas- und Erdölmessungen erfassen kontinuierlich sensible Druck- und Wärmedaten. Die Erfassung der verschiedenen Kombinationen von physikalischen Temperatur- und Druckgrößen erfordert jedoch ein sehr präzises, hochauflösendes System.

Dies ist eine Herausforderung für Entwickler, da sich die erforderliche hochauflösende Sensorschaltung über weite Temperatur- und Druckbereiche erstreckt. In den meisten Fällen ist die Multisensorelektronik zu groß für den Werkseinsatz und die diskrete analoge Signalaufbereitung ist nicht präzise oder robust genug (Abbildung 1).

Abbildung 1:Ein Drucksicherheitsventil schützt Rohrleitungssysteme vor Überdruck. (Quelle:Shutterstock)

Die Lösung für Multisensorelektronik liegt im hochauflösenden ADC. Die Kombination aus Thermoelement, Widerstandstemperaturdetektor (RTD), Drucksensoren und Analog-Digital-Wandler (ADC) ist mit einem präzisen, schnellen Mehrkanal-Delta-Sigma (ΔΣ)-ADC erreichbar, wobei die wichtigsten Spezifikationen ist RMS-Rauschen. Dadurch entsteht ein hochpräzises, robustes Multisensorsystem für die Öl-, Gas- und Erdölelektronik.

In diesem Artikel werden kurz die Probleme erörtert, die mit dem Erreichen einer präzisen Temperatur- und Druckzellenschnittstelle unter Verwendung eines ΔΣ ADC verbunden sind.

Drucksensor

Die Druckmessgeräte sind solche, die eine elektrische Erregung erfordern und solche, bei denen Druck die einzige Energiequelle ist. Die mechanischen Geräte umfassen Faltenbälge, Membranen, Bourdons, Rohre und Manometer. Bei diesen Geräten löst eine Druckänderung eine mechanische Reaktion aus, z. B. eine Änderung der Position des mechanischen Arms oder des Flüssigkeitsspiegels einer Röhre.

Elektrisch erregte Drucksensoren sind synergistisch mit ΔΣ ADCs und Mikrocontrollern. Diese Sensoren können kapazitive Sensoren, lineare variable Differenztransformatoren (LVDT) oder piezoresistive Sensoren sein. Typischerweise ist der piezoresistive Sensor das Gerät der Wahl (Abbildung 2).

Abbildung 2:Ein piezoresistiver Drucksensor (a) ist normalerweise das Gerät der Wahl. Die High-Side des piezoresistiven Brückenmodells (b) erfordert eine Spannungs- oder Stromanregung. (Quelle:Maxim Integrated)

In Abbildung 2a ist die Oberseite des gefertigten Sensors ein Widerstandsmaterial und die Unterseite eine Membran. Die hohe Seite des piezoresistiven Brückenmodells (Abbildung 2b) erfordert eine Spannungs- oder Stromanregung. Die Größe der Erregung beeinflusst den Dynamikbereich der Ausgabe des Sensors, die maximale Differenz zwischen V_OUT + und V_OUT – in einem 3,3-V-System, das im Allgemeinen von mehreren zehn Millivolt bis zu mehreren hundert Millivolt reicht. Eine Elektronik, die dem Brückensensor mit Verstärkern und einem ADC nachfolgt, wandelt das differenzielle Ausgangssignal in eine digitale Darstellung um.

Bedeutung der Temperaturmessung

Es gibt zahlreiche Arten von Temperatursensoren, die in Bezug auf Temperaturbereich, Linearität, Genauigkeit, Robustheit und Benutzerfreundlichkeit für jede Anwendung geeignet sind. Die Temperatursensoren in dieser Anwendung überwachen die Temperatur des Drucksensors, um sicherzustellen, dass zuverlässige Druckmessungen erfolgen. Zur Durchführung dieser Temperaturmessung verwendet diese Anwendung ein Thermoelement vom Typ K und ein RTD (Abbildung 3).

Abbildung 3:Ein Thermoelement des Typs K mit zwei Leitern erfordert eine zweite Temperaturmessung mit dem RTD für die Kaltstellenkompensation (CJC). (Quelle:Maxim Integrated)

In Abbildung 3 kann der robuste Thermoelement-Temperatursensor hohe Temperaturen bis zu +1260 °C erfassen, während der RTD die Temperatur an den Thermoelement/Kupfer-Übergängen misst.

Hochauflösende ADCs

Bei ADCs gibt es einen sehr starken Kompromiss zwischen Auflösung und Geschwindigkeit. Von den schnellsten Wandlern kann der Pipeline-ADC Datenraten mit Geschwindigkeiten von mehreren zehn Giga-Samples-per-Sekunde (Gsps) erzeugen und gleichzeitig respektable Auflösungen von bis zu 12 Bit erzeugen.

Der Mittelwert-ADC ist der Sukzessive-Approximations-Register(SAR)-Wandler. Dieser Konverter erzeugt Abtastwerte an einem Ausgang, der langsamer ist als der Pipeline-Konverter, der mit etwa 10 Ksps bis 10 Msps und einer Auflösungserhöhung von bis zu 18 Bit arbeitet. Der SAR-Wandler ist ein gutes Arbeitspferd in der Industrie, wenn die akzeptablen Eingangsspannungs-Least-Significant-Bit (LSB)-Größen in Mikrovolt (μV) liegen. Wenn die Anwendung jedoch Konvertierungen von LSB-Größen im Nanovoltbereich (nV) erfordert, ist die einzig mögliche Alternative ein ΔΣ ADC (Abbildung 4).

Abbildung 4:Der grundlegende ΔΣ-ADC wandelt die Eingangsspannung in einen ΔΣ-Modulator um. (Quelle:Maxim Integrated)

Der ΔΣ-ADC in Abbildung 4 wandelt die Eingangsspannung in einen ΔΣ-Modulator um. Der Modulator erzeugt einen rauschförmigen Ein-Bit-Impulszug, der die analoge Eingangsspannung darstellt. Der Wandler akkumuliert dann die Ein-Bit-Impulsfolge und führt durch Überabtastung verschiedene digitale Filterungen des Signals durch. Mit der Zeit unterdrückt der Filter höherfrequentes Rauschen und erzeugt Multi-Bit-Ergebnisse von bis zu 24 Bit. Der Konverter sendet diese Ergebnisse an den Ausgangsanschluss eines externen Mikrocontrollers.

ΔΣ Modulator

Der ΔΣ-Modulator startet den Rauschunterdrückungsprozess des ADC. Eine genaue Untersuchung dieses Modulators zeigt schnell, woher die Markierung ΔΣ kommt (Abbildung 5).

Abbildung 5:Der ΔΣ-Modulator zweiter Ordnung besteht aus einem Rückkopplungssystem, das eine Front-End--Funktion gefolgt von zwei Integratoren (Σ-Funktion) enthält. (Quelle:Maxim Integrated)

In Abbildung 5 wird das Signal nach den beiden Integratoren durch einen 1-Bit-ADC mit einer Abtastrate gleich der Abtastfrequenz (F_S ) und führt dann über einen 1-Bit-DAC mit derselben Abtastrate zu den Eingängen der beiden Integratoren zurück. In diesem System gibt es eine Injektion von Quantisierungsrauschen (e_i ) mit dem 1-Bit-ADC. Gemäß der Formel unten in Abbildung 5 erscheint das Rauschen am Ausgang zusammen mit dem Rauschen aus früheren Konvertierungen.

Der Modulator erzeugt einen rauschformenden Effekt auf die Akkumulation des Signals am Ausgang des Modulators. Dieser Rauschformungseffekt formt das 1-Bit-Konvertierungsquantisierungsrauschen in höhere Frequenzen (Abbildung 6).

Abbildung 6:Das Rauschen am Ausgang des Modulators erzeugt eine rauschförmige Antwort. (Quelle:Maxim Integrated)

In Abbildung 6 ist die Nyquist-Frequenz für das System die Abtastfrequenz des Modulators, F_S . Die Ordnung des Modulators bestimmt den Pegel des Quantisierungsrauschens über der Frequenz (Abbildung 7).

Abbildung 7:Dieses Diagramm zeigt das Rauschformungsvermögen von Modulatoren erster, zweiter und dritter Ordnung. (Quelle:Maxim Integrated)

In 7 ist das Quantisierungsrauschen der Modulatoren niedrigerer Ordnung höher in der Nähe von Gleichstrom und niedriger bei hoher Frequenz. Der ΔΣ ADC sammelt oder übersampelt den 1-Bit-Ausgangsstrom der Modulatoren und führt eine digitale Tiefpassfilterung durch.

Digital-/Dezimierungsfilter

Beim ΔΣ ADC-Kern gibt es zwei Aktionen, die zur Reduzierung des Systemrauschens auftreten. Der Modulator formt sein Quantisierungsrauschen erfolgreich zu höheren Frequenzen und der Digital-/Dezimationsfilter dämpft das Hochfrequenzrauschen.

Die Ausgangsdatenrate des ADC, die durch die folgende Grenzfrequenz des digitalen Tiefpassfilters vorgegeben wird, beträgt F_D . Der Frequenzgang des Digital-/Dezimierungsfilters (gestrichelte Linie in Abbildung 4) dämpft erfolgreich das höherfrequente Rauschen.

Abgeschlossen ADC-Bild

Ein vollständig funktionierender ΔΣ-ADC im Kern erfordert einen ΔΣ-Modulator und Sinc- und Finite-Impulse-Response-(FIR)-Digitalfilter (Abbildung 8).

Abbildung 8:  Dieses Diagramm zeigt einen vollständig funktionierenden ΔΣ ADC mit Drucksensor- und Temperatursensoreingängen. (Quelle:Maxim Integrated)

Im Kern-ΔΣ-ADC-Blockschaltbild (Abbildung 4) befindet sich ein Digital-/Dezimationsfilter. Der tatsächliche ΔΣ-ADC in Abbildung 8 verfügt über die gemeinsamen Sinc- und FIR-Digitalfilter, die das rauscharme Bild des Wandlers vervollständigen.

Der Sinc-Digitalfilter führt eine Tiefpassfilterfunktion aus. Ein Filterentwurf erster Ordnung setzt sich in einer Datenwortperiode ein. Der Sinc-Filter vierter Ordnung oder Sinc ⁴ setzt sich in vier Datenwortperioden ein. Die Form des Frequenzbereichsfilters erscheint mit Einbrüchen über der Frequenz (Abbildung 9).

Abbildung 9:  Diese Grafiken zeigen den Frequenzgang eines Sinc-Filters dritter Ordnung (Sinc ³ ). (Quelle:Maxim Integrated)

In Abbildung 9 kann die niedrigste Dämpfung so programmiert werden, dass sie geeigneten Frequenzen entspricht, beispielsweise Vielfachen von 50 Hz oder 60 Hz. Das Gerät in Abbildung 8 implementiert ein Sinc ⁴ Digitalfilter.

Die abgerundeten Eigenschaften der Sinc-Digitalfilter machen sie zu einem der am einfachsten zu implementierenden Digitalfilter, sodass sie in Mixed-Signal-Anwendungen sehr nützlich sind. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen schärfere Ecken vorzuziehen sind. Der FIR-Filter bietet schärfere Ecken mit einem zusätzlichen Stabilitätsvorteil. Der ΔΣ-ADC in Abbildung 8 verfügt über einen 50 Hz/60 Hz-Filter, der eine Unterdrückung von mehr als 90 dB bei 50 Hz und 60 Hz bei einer Datenrate von 16 Abtastungen pro Sekunde bietet.

Der komplette ΔΣ-ADC (Abbildung 8) verfügt über zusätzliche Hilfsfunktionen wie einen Eingangsmultiplexer, einen programmierbaren Verstärkungsverstärker (PGA), einen komplexen digitalen Filter, einen Taktgenerator und eine Referenzmatrix. Mit einem PT100 RDT, einer 160 μA Stromquelle und einer PGA-Verstärkung von 128 bietet der MAX11410 ΔΣ ADC einen Eingangsbereich von 1,234 V bis 2,837 V. Mit diesem 24-Bit-Wandler in einem Sinc ⁴ Konfiguration beträgt die Spannungs-LSB-Größe 0,039 μV_RMS . Die Temperaturgenauigkeit liegt im Bereich von ±100°C und die RTD-Genauigkeit beträgt ~4,7 μ°C/Bit.

In diesem Artikel wurden Probleme im Zusammenhang mit dem Erreichen einer präzisen Temperatur- und Druckzellenschnittstelle mit einem ΔΣ-ADC für Öl-, Gas- und Erdölelektronik vorgestellt. Die Anwendungsschaltung verwendet einen Druck, ein Thermoelement und einen RTC-Sensor, um eine Einzelgerät-Umwandlung zu erreichen, wobei die wichtigsten Spezifikationen Rauschen, ein Eingangsmultiplexer und Stücklistenkosten (BOM) sind.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EDN.