Laitteiden analogiset etuasteet suunnitellaan yleensä vain tietylle sovellusalueelle ja sen vuoksi ne ovat rakenteeltaan jäykkiä. Uudenlaiset rakennemallit tarjoavat kuitenkin parempaa joustavuutta sirulle integroitujen ohjelmoitavien vahvistimien ja MCU-liitäntöjen avulla. JRC:n kehittämää ratkaisua voidaan hyödyntää mikro-ohjaimen kera jopa hinnaltaan edullisena vaihtoehtona oskilloskoopille pienillä taajuuksilla.

Artikkelin kirjoittaja Thomas Bolz toimii Rutronik-yhtiön analogisten tuotteiden myyntipäällikkönä.

 Analogisia etupäitä eli AFE-lohkoja (Analog Front-End) käytetään aina, kun on tarve vahvistaa esimerkiksi analogisin anturein mitattuja erittäin herkkiä signaaleja ja muuntaa niitä digitaalisiksi. Tässä esiteltävä etuastepiiri yhdistää useita toimintoja samalle sirulle. Mukana on kahdella tulolla varustettu ohjelmoitava instrumentointivahvistin, sigma-delta-rakenteinen AD-muunnin, digitaalinen dataliitäntä mikro-ohjaimelle sekä konfigurointirekisteri.

Laajan differentiaalisen ja integraalisen lineaarisuuden ansiosta AFE-lohko käsittelee lähes jokaista µV- tai mV-alueen analogista signaalia hyvällä signaali-kohinasuhteella (SNR) ja pienellä harmonisella vääristymällä. Tästä syystä se sopii ihanteellisesti IoT-alueen sulautettuihin sovelluksiin muun muassa paineanturitekniikassa sekä akkujen diagnostiikassa, joissa AC-signaalit ovat hyvin pieniä, esimerkiksi mitattaessa vaihtovirtaimpedanssia suoraan ilman jännitettä.

Vaatimuksia anturisignaalin vahvistukselle

Analogisissa etuasteissa käytettävien operaatiovahvistimien tulisi aina täyttää seuraavat parametrit:

• Alhainen offset-jännite, koska offset ja sen poikkeamat vahvistavat epälineaarisia jännitekomponentteja operaatiovahvistimen lähdössä ja siten vääristävät vahvistettavaa signaalia.

• Alhainen kohina. Kohinajännite hertsiä kohti riippuu signaalin kaistaleveydestä ja se vahvistuu signaalin mukana.

• Korkea yhteismuodon vaimennussuhde (CMRR) sähköisten häiriösignaalien vaimentamiseksi kummassakin tulolinjassa, jotta mitattavaan signaaliin ei vaikutettaisi.

• Tulo- ja lähtöjännitteiden yltäminen täyteen syöttöjännitteeseen (RRIO) erityisesti pienillä syöttöjännitteillä toimivissa piireissä, jotta saavutetaan maksimaalinen häiriöetäisyys ja siirrettävät signaalit voivat ulottua virheettömästi aina negatiiviseen tai positiiviseen syöttöjännitteeseen asti.

Operaatiovahvistimien avulla voidaan periaatteessa toteuttaa kolme erilaista vahvistinrakennetta:

• Suora (ei-kääntävä) vahvistin on yksinkertaisin op amp -vahvistinrakenne. Sen etuja ovat yksinkertainen suunnittelu sekä vähäiset komponentti- ja tehonkulutusvaatimukset. Haittana on se, että tulopuolen yhteismuotoiset signaalit ja kohina vahvistuvat hyötysignaalin mukana. Teollisuusympäristöissä häiriö- ja kohinasignaalit voivat olla niin voimakkaita, että ne peittävät halutun hyötysignaalin alleen. Tämän vuoksi on suositeltavaa käyttää vahvistimessa suodinta, joka poistaa samanmuotoiset signaalit operaatiovahvistimen kummastakin tulosta.

• Differentiaalivahvistin puolestaan vahvistaa ainoastaan tulosignaalin ja – toisin kuin ei-kääntävä vahvistin – estää kaikki yhteismuotoiset signaalit. Differentiaalisessa signaalinkäsittelyssä päästään suurempaan häiriöetäisyyteen, mutta yhteismuodon vaimennussuhde ei ole riittävän hyvä suuritaajuisilla häiriösignaaleilla. Lisäksi vahvistinkytkentä vaatii viritettyjä tarkkuusvastuksia (toleranssi alle 0,1 %). Ellei niitä käytetä, tuloasteen vahvistus vaihtelee, minkä vuoksi yhteismuodon vaimennussuhde huonontuu merkittävästi.

• Kolmen operaatiovahvistimen avulla toteutetulla instrumentointivahvistimella voidaan sen sijaan välttää kahden edellä mainitun vahvistintyypin heikkoudet. Korkea tuloimpedanssi ja kaksi vahvistinastetta tarjoavat paremman vaimennuksen yhteismuotoisille häiriösignaaleille. Mutta tälläkin vahvistinratkaisulla on haittapuolensa: lisääntyvä tehonkulutus tekee siitä sopimattoman erityisesti niukkatehoista toimintaa vaativiin sovelluksiin.

Operaatiovahvistimien ja valitun kytkentärakenteen lisäksi on tarpeen määrittää vahvistuksen jakauma. Siihen vaikuttavat useat tekijät kuten haluttu vahvistus-kaistanleveys-tulo GBP (Gain Bandwidth Procuct), käytettävien operaatiovahvistimien lähtövirheen vahvistus sekä ensimmäisen ja toisen vahvistinasteen tulon ja lähdön jännitealueet. Jos piiri toimii suurella vahvistuskertoimella tai alhaisella syöttöjännitteellä, on vaikea löytää hyvää kompromissia.

Digitointi AD-muuntimella

Anturisignaalin analogisen vahvistuksen jälkeen AD-muunnin muuntaa sen digitaaliseksi signaaliksi. Sen bittiresoluutio tulee valita sovelluksen ja referenssijännitteen halutun tarkkuuden mukaan. Esimerkiksi 12-bittinen AD-muunnin yltää 4,096 V jännitteellä 1,0 mV tarkkuuteen.

Lisäksi on otettava huomioon Nyquist-Shannonin näytteenottosääntö. Sen mukaan signaalin maksimitaajuuden tulee olla korkeintaan puolet näytteenottotaajuudesta. Tämän vuoksi tulosignaalin kaistanleveyttä on rajoitettava sopivan suodatuksen avulla.

Analogisen signaalin kvantisoinnissa tapahtuu myös kvantisointivirheitä. Jotta ne voitaisiin pitää mahdollisimman vähäisinä, on käytettävä korkean tason kvantisointia, toisin sanoen suurta näytteenottonopeutta. Tätä on noudatettava tiukasti SAR-tyyppisillä (Successive Approximation Register) AD-muuntimilla, sen sijaan sigma-delta-tyyppiset AD-muuntimet eivät ole yhtä kriittisiä vahvan ylinäytteistyksen suhteen.

Integroitu ratkaisu tuo etuja

Kun kaikki nämä vaatimukset ja edellytykset tulevat vastaan, on usein parasta valita valmis integroitu ratkaisu. Piille integroidut ratkaisut eivät ainoastaan yllä suurempaan tarkkuuteen, vaan myös osaltaan vähentävät järjestelmän kehitysaikaa ja -kustannuksia.

Tämän tyyppinen ratkaisu on usein väistämätön, erityisesti huipputarkkojen anturien signaalinkäsittelyssä. Tällöin tarkkuus tarkoittaa vahvistuksen maksimaalisen lineaarisuuden saavuttamista riippumatta vahvistuskertoimesta, anturisignaalin yhteismuotosuhteesta ja lämpötilasta.

Integroitua PGA-vahvistinlohkoa (Programmable Gain Amplifier) hyödyntävän ratkaisun tarjoaa esimerkiksi JRC-yhtiön kehittämä piiri NJU9103. Sen analoginen etupää voi käsitellä analogisia signaaleja enimmillään vahvistuskertoimella G = 512. Laajan tulojännitealueen ja suuren näytenopeuden ansiosta piiri voi vahvistaa ja käsitellä myös hyvin pieniä µV- ja mV-alueen anturisignaaleja kuten myös suurempia 100 millivoltin alueen signaaleja aina kilohertsien taajuuksiin asti.

Monien säätömahdollisuuksiensa lisäksi piiri tarjoaa optimaalisen vahvistuksen paine- ja virtausantureille, ja se soveltuu myös termostaatteihin, diginäyttöihin sekä PLC-piireihin ja -sovelluksiin. Suuren tulojännitealueen lisäksi piirin pienikokoinen kotelo (DFN8/SSOP8) tuo joustavuutta vahvistimen hyödyntämiseen eri kohteissa.

JRC:n kehittämän etuasteen sisäinen 16 bitin sigma-delta-AD-muunnin tarjoaa näytenopeudet välillä 0,814 – 6,51 ksps yksipuolisella, differentiaalisella tai pseudo-differentiaalisella tuloasteella. Yksi sigma-delta-AD-muuntimen suurista vahvuuksista on ylinäytteistävä arkkitehtuuri. Ylinäytteistys tarkoittaa, että kytketyn integraattorin (sigma) näytenopeus ja modulaattorin kellotaajuus edustavat erittäin korkeaa ylinäytteistyksen tasoa.

Tällä on kaksi vaikutusta: Ensinnäkin kohina jakautuu laajemmalle taajuuskaistalle. Toisaalta ratkaisu toimii vaihtoehtona paljon monimutkaisemmalle ja kalliimmalle anti-alias-suotimelle, joka tyypillisesti tarvitaan SAR-tyyppisille AD-muuntimille. Koska näytetaajuus on paljon suurempi kuin näytteenottosäännön vaatima, yksinapainen alipäästösuodin yleensä riittää. Näin muuntimet yltävät erinomaisiin kohina- ja tarkkuuslukemiin.

Ohjelmoitava PGA-vahvistin varmistaa myös, että AD-muunnin toimii ideaalisella jännitealueella niin, että sen dynaaminen alue on toimiva. Esimerkiksi jos vahvistuskerroin on 128 ja anturin offset 10 mV, PGA:n pitäisi toimia alueen rajalla. Tämän tilanteen välttämiseksi sisäinen referenssijännite synnyttää kompensoivan jännitteen, joka on vastakkainen anturin offset-jännitteeseen nähden. Se pakottaa PGA:n lähdön palaamaan takaisin dynaamiselle alueelle. Tämä tarkoittaa, että NJU9103 on markkinoiden ainoa AFE-piiri, jossa on mukana anturi-offsetin kompensointi.

Muita etuja tarjoaa vahva HF-alueen häiriöiden sietokyky, jonka ansiosta suurilla taajuuksilla toimivien laitteiden (esim. matkapuhelimien) aiheuttamat toimintahäiriöt ovat merkittävästi vähäisempiä. Lisäetuja ovat yksinkertainen konfigurointi ja nopea datansiirto (yli 1 ksps), joka tarjoaa monia mahdollisuuksia suurtaajuisten mittaussignaalien käsittelemiseen.

Lisäksi NJU9103 on lajissaan markkinoiden ensimmäinen ohjelmoitavan PGA-vahvistinlohkon sisältävä AFE-piiri, jonka vahvistuskerroin voidaan asettaa välille 256 – 512. Muiden valmistajien ratkaisut yltävät tällä hetkellä enintään tasolle 128.

Edullinen vaihtoehto skoopille

NJU9103-piiri tarjoaa myös lisäbonuksen: Yhdessä mikro-ohjaimen kanssa se voi korvata oskilloskoopin pienillä taajuuksilla. Signaalien analyysi ja synteesi voidaan näin toteuttaa helposti etuastetta varten kehitetyn evaluointikortin, mikro-ohjaimen ja muutaman passiivisen komponentin avulla.

Sinimuotoista signaalia voidaan tarkastella korttiin liitetyn näytön avulla. Tämä on älykäs ratkaisu erittäin edulliseen hintaan.

Yksityiskohtainen kuvaus tästä ja piirin muista sovellusmahdollisuuksista on saatavissa veloituksetta Rutronikin sivulta:
https://www.rutronik.com/processing-analog-signals-with-an-amplification-of-g-512-by-using-a-microcontroller/