用于高温电子应用低功耗数据采集解决方案.PDFVIP

用于高温电子应用的低功耗数据采集解决方案 作者：Jeff Watson和Maithil Pachchigar 简介 越来越多的应用要求数据采集系统必须在极高环境温度下 本文中，我们提供了一个新的高温数据采集参考设计，该设 可靠地工作，例如井下油气钻探、航空和汽车应用等。虽然 计在室温至175°C 温度范围内进行特征化。该电路旨在提供 这些行业的最终应用不尽相同，但某些信号调理需求却是共 一个完整的数据采集电路构建块，可获取模拟传感器输入、 同的。这些系统的主要部分要求对多个传感器进行精确数据 对其进行调理，并将其特征化为SPI 串行数据流。该设计功 采集，或者要求高采样速率。此外，很多这样的应用都有很 能非常丰富，可用作单通道应用，也可扩展为多通道同步采 严格的功率预算，因为它们采用电池供电，或者无法耐受自 样应用。由于认识到低功耗的重要性，该 ADC 的功耗与采 身电子元件发热导致的额外升温。因此，需要用到可以在温 样速率成线性比例关系。该 ADC 还可由基准电压源直接供 度范围内保持高精度，并且可以轻松用于各种场景的低功耗 电，无需额外的电源轨，从而不存在功率转换相关的低效率。 模数转换器 (ADC) 信号链。这类信号链见图 1；该图描绘 这款参考设计是现成的，可方便设计人员进行测试，包含全 了一个井下钻探仪器。 部原理图、物料清单、PCB 布局图和测试软件。 虽然额定温度为 175°C 的商用IC 数量依然较少，但近年来 电路概览 这一数量正在增加，尤其是诸如信号调理和数据转换等核心 功能。这便促使电子工程师快速可靠地设计用于高温应用的 图1 所示电路是一个 16 位、600 kSPS 逐次逼近型模数转换 产品，并完成过去无法实现的性能。虽然很多这类 IC 在温 器系统，其所用器件的额定温度、特性测试温度和性能保证 度范围内具有良好的特性化，但也仅限于该器件的功能。显 温度为 175°C 。很多恶劣环境应用都采用电池供电，因此该 然，这些元件缺少电路级信息，使其无法在现实系统中实现 信号链针对低功耗而设计，同时仍然保持高性能。 最佳性能。 图1. 井下仪器数据采集信号链。 模拟对话49-08 ，2015 年8 月 /zh/analogdialogue 1 图2. 数据采集电路简化原理图。 本电路使用低功耗（600 kSPS 时为 4.65 mW ）、耐高温 ® ADC 驱动器 PulSAR ADC AD7981 ，它直接从耐高温、低功耗运算放大 器AD8634 驱动。AD7981 ADC 需要2.4 V 至5.1 V 的外部基 AD7981 的输入可直接从低阻抗信号源驱动；然而，高源阻 准电压源，本应用选择的基准电压源为微功耗2.5 V 精密基 抗会显著降低性能，尤其是总谐波失真 (THD) 。因此，推荐 准源ADR225 ，后者也通过了高温工作认证，并具有非常低 使用ADC 驱动器或运算放大器（如AD8634 ）来驱动AD7981 的静态电流（210°C 时最大值为60 μA ）。本设计中的所有 输入，如图4 所示。在采集时间开始时，开关闭合，容性DAC IC 封装都是专门针对高温环境而设计，包括单金属线焊。 在ADC 输入端注入一个电压毛刺（反冲）。ADC 驱动器帮 助此反冲稳定下来，并将其与信号源相隔离。 模数转换器 低功耗（1 mA/放大器）双通道精密运算放大器AD8634 适合 本电路的核心是 16 位、低功耗、单电源ADC AD7981 ，它 此任务，因为其出色的直流和交流特性对传感器信号调理和 采用逐次逼近架构，最