Применение синхронного демодулятора ADA2200 для измерения слабых сигналов датчиков с аналоговым выходом

№ 8’2015
PDF версия
В статье рассматриваются особенности схемы с синхронным демодулятором для обработки сигналов различных датчиков. Качественно разработанная аналоговая схема позволяет получить систему с оптимальными характеристиками, минимальным потреблением и невысокой ценой. В рассмотренном примере большая часть обработки сигнала выполняется в аналоговой области. Приведенные рекомендации позволят снизить энергопотребление и цену конечного изделия.

О первичных датчиках

Существует большое количество датчиков для измерения температуры, освещенности, звука и множества других параметров окружающей среды. Некоторые из них представляют собой источник тока или напряжения. Термопары, например, генерируют напряжение, пропорциональное разнице температуры спая и измеряемой точки. Большинство датчиков имеет функцию преобразования, которая определяет соотношение между измеряемой характеристикой и физическим параметром. Часто данное соотношение определяется величиной сопротивления. Например, резистивные датчики, такие как тензодатчики, датчики термосопротивления и потенциометры, применяются для измерения деформаций, температуры и угла соответственно. Параметры таких датчиков не зависят от частоты и фазы сигналов.

У многих датчиков передаточная характеристика зависит от частоты и фазы сигнала (индуктивные бесконтактные датчики или емкостные датчики влажности). Измерение сопротивления человеческого тела может дать информацию о частоте дыхания, пульсе, гидратации и других физиологических характеристиках. В таких измерениях амплитуда или фаза (иногда и оба параметра сигнала) используются для получения нужной информации. Для работы подобных датчиков требуется дополнительный внешний источник питания (возбуждения) переменного тока.

Иногда исследуемый объект помещается непосредственно в датчик. Так, в колориметрах используют светодиод, чтобы пропустить свет через жидкий образец. Количество света, обнаруженное фотодетектором, дает информацию о поглощенном свете, что позволяет определить характеристики тестируемой жидкости. Измеряя разницу между поглощенным сосудистой тканью красным и инфракрасным светом, можно определить уровень кислорода в крови. Ультразвуковые датчики расхода газа измеряют сдвиг доплеровской частоты после прохождения ультразвука через газ. Все эти измерения можно выполнять, используя синхронную демодуляцию.

На рис. 1 показана схема с синхронным демодулятором (детектором). Датчик модулирует амплитуду или фазу, или оба параметра, являющиеся функцией измеряемой величины, на опорном сигнале, в качестве которого выступает сигнал возбуждения fX. Полученный сигнал может быть усилен и отфильтрован перед демодуляцией с помощью фазового детектора. Выходной фильтр ограничивает полосу частот сигнала до диапазона частот измеряемого параметра.

Схема синхронной демодуляции

Рис. 1. Схема синхронной демодуляции

Источники шума на выходе датчика могут быть как внутренние, так и внешние. Во многих системах влияние шума нарастает при уменьшении частоты сигнала и достигает максимума на нулевой частоте. Некоторые датчики восприимчивы к помехам от низкочастотного шума окружающей среды. Например, оптические измерения, чувствительные к фоновым излучениям, дополнительно могут реагировать на излучение источников питания. Возможность выбора частоты сигнала возбуждения для минимизации влияния источников шума является ключевым преимуществом синхронного детектирования и важным способом оптимизации характеристик схемы.

Сигнал возбуждения должен быть смещенным по частоте от источников шума так, чтобы при помощи установленного на выходе фильтра можно было бы снизить шум до требуемого значения. В том случае, когда известна чувствительность датчика, потребляемая мощность схемы может быть снижена за счет его возбуждения на той частоте, на которой чувствительность выше.

 

Фазовый детектор

Чтобы разобраться в требованиях к фильтру устранения эффекта наложения спектров («антиалайзинговый фильтр», AAF) и фильтру на выходе схемы (OF), нужно понимать принцип работы фазового детектора.

Рассмотрим детектор, который использует сигнал возбуждения для синхронного умножения входного сигнала на «+1» и «–1». Это эквивалентно перемножению входного сигнала с меандром той же частоты. На рис. 2а показаны входной и опорный сигналы, имеющие форму меандра с произвольным соотношением фаз, а также сигнал на выходе фазового детектора. Когда входной и опорный сигналы совпадают по фазе, то есть разность фаз равна 0°, выходной сигнал не меняется. При увеличении разности фаз на выходе появляется меандр с удвоенной частотой, скважность и среднее значение которого изменяются линейно. При разности фаз 90° скважность выходного сигнала равна 50%, а среднее значение составляет 0. При разности фаз 180° напряжение на выходе детектора составляет –1. На рис. 2б показано среднее значение выходного сигнала фазового детектора при изменении разности фаз в диапазоне 0–360° для прямоугольного и синусоидального входных сигналов.

Сигналы фазового детектора

Рис. 2. Сигналы фазового детектора:
а) во временной области;
б) средние значения выходного сигнала

Для синусоидального входного сигнала напряжение на выходе фазового детектора можно посчитать следующим образом:

Формула

Фазовый детектор формирует сигнал, пропорциональный разности фаз входного синусоидального сигнала на опорной частоте. Но в выходной сигнал попадают и все нечетные гармоники. Получается, что сигнал, прошедший через фазовый детектор, как бы проходит еще и через серию полосовых фильтров, центрированных относительно нечетных гармоник опорного сигнала (рис. 3). Полоса пропускания полосовых фильтров определяется шириной полосы пропускания выходного фильтра нижних частот.

Спектр входного сигнала, влияющий на выход фазового детектора

Рис. 3. Спектр входного сигнала, влияющий на выход фазового детектора

На первый взгляд, суммарные искажения от каждой гармоники сигнала, попадающие на выходной фильтр, будут очень большими и не позволят использовать подобную схему. Однако влияние искажений, связанных с шумом, снижается из-за ослабления каждой из гармонических составляющих, и шум от различных гармоник добавляется как корень из суммы квадратов. Мы можем рассчитать влияние шума гармонических составляющих, предполагая постоянной спектральную плотность шума входного сигнала.

Пусть Vn — уровень шума, проходящий через полосовой фильтр, центрированный относительно опорной частоты. Суммарное СКО шума — VТ.

Формула

Используя простую формулу для суммы геометрической прогрессии, получим:

Формула

Суммарное СКО шума по отношению к Vn:

Формула

Таким образом, общий уровень шума увеличивается всего на 11%, или 1 дБ. На выходной сигнал фазового детектора все еще оказывают влияние шумы, проходящие через полосовые фильтры, и гармонические искажения от датчика или от электроники, установленной до фазового детектора. Если эти искажения слишком большие, то их можно уменьшить с помощью AAF. Требования к такому фильтру и фильтру на выходе схемы рассмотрим далее на конкретном примере.

 

Пример схемы с LVDT

На рис. 4 показана схема с синхронным демодулятором и линейным трансформатором с переменным рабочим объемом (LVDT). LVDT — датчик, представляющий собой обмотку трансформатора с подвижным сердечником, предназначенный для измерения линейных перемещений. Сигнал возбуждения подается на первичную обмотку. Напряжение на вторичной обмотке изменяется пропорционально положению сердечника.

Упрощенная схема определения положения с помощью LVDT

Рис. 4. Упрощенная схема определения положения с помощью LVDT

Есть много типов LVDT и способов определения положения с их помощью. В данной схеме используется четырехпроводной LVDT. Две его вторичные обмотки подключаются так, чтобы напряжения с противоположным знаком вычитались. Когда сердечник LVDT находится в «нулевой» позиции, уровень напряжений на вторичных обмотках одинаковый, соответственно, разность напряжений на них равна нулю. Когда сердечник перемещается из нулевой позиции, разница напряжений на вторичных обмотках увеличивается. Знак выходного напряжения LVDT зависит от направления движения сердечника. Выбранный для этого примера LVDT измеряет перемещения сердечника в диапазоне ±2,5 мм. Передаточная функция напряжения — 0,25, т. е. мы подаем на первичную обмотку 1 В, умножаем 1 В на 0,25 и получаем 250 мВ на дифференциальном выходе.

 

Синхронный демодулятор

ADA2200 — интегрированный синхронный демодулятор, позволяющий выполнить обработку сигнала в аналоговой области. Сигнал проходит через входной буферный усилитель, прореживающий фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр), который выполняет фильтрацию и подавление побочных составляющих сигнала, программируемый фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр), фазовый детектор и дифференциальный выходной буфер. Встроенный генератор тактового сигнала выполняет синхронизацию сигнала возбуждения с системным тактовым сигналом. Настройка всех функций микросхемы осуществляется через SPI (рис. 5).

Синхронный демодулятор ADA2200

Рис. 5. Синхронный демодулятор ADA2200

Частота 4,92 МГц, генерируемая 24‑разрядным сигма-дельта АЦП AD7192, используется в качестве основного тактового сигнала. ADA2200 генерирует все внутренние сигналы, необходимые для синхронизации фильтров и фазового детектора, в том числе сигнал возбуждения на RCLK-выход (рис. 5). Для получения 4,8 кГц для управления КМОП-ключом частота основного тактового сигнала делится на 1024. КМОП-переключатель преобразует сигнал от малошумящего источника напряжения 3,3 В в меандр для возбуждения LVDT. Источник питания 3,3 В используется для генерации сигнала возбуждения, а также как источник опорного напряжения для АЦП, поэтому любой дрейф источника напряжения не будет ухудшать точность измерений. Диапазон входных напряжений LVDT при максимальном перемещении составляет 1,6 Вp-p.

 

Фильтр устранения эффекта наложения спектров

Между выходом LVDT и входом ADA2200 стоит низкочастотный RC-фильтр, который обеспечивает фильтрацию сигнала, а также создает фазовый сдвиг для максимизации выходного сигнала демодулятора. На рис. 2б показано, что максимальное значение выходного сигнала фазового детектора получается при относительном фазовом сдвиге 0 или 180°. ADA2200 позволяет управлять фазовым сдвигом, изменяя его в диапазоне ±90°.

Прореживающий КИХ-фильтр выполняет функцию «антиалайзингового», обеспечивая ослабление сигнала нечетных гармоник минимум на 50 дБ. БИХ-фильтр стоит перед фазовым детектором и, в случае необходимости, обеспечивает дополнительную фильтрацию.

 

Выходной фильтр

Полоса пропускания выходного фильтра должна быть выбрана шире полосы частот измеряемого сигнала и ограничена полосой частот шума системы. Фильтр нижних частот на выходе также должен подавлять побочные составляющие («спуры»), которые появляются на четных частотах, кратных частоте фазового детектора.

Представленная схема использует фильтр нижних частот (ФНЧ), встроенный в сигма-дельта АЦП AD7192. Он может быть запрограммирован в виде sinc3‑ или sinc4‑функции с полюсами на частотах, кратных частоте выходных данных. На рис. 6 показана передаточная функция фильтра sinc3.

Фильтр AD7192 с передаточной функцией sinc3

Рис. 6. Фильтр AD7192 с передаточной функцией sinc3

Настраиваемая скорость преобразования АЦП действует как фильтр с регулируемой полосой пропускания. Частота выходных данных (fDATA) равна 4,8 кГц/n, где 1  n  1023. Таким образом, каждое выходное значение АЦП получается усреднением выхода демодулятора за n периодов.

Настраиваемая частота выходных данных позволяет найти простой компромисс между уровнем шума и полосой пропускания/временем установления сигнала. Выходной фильтр имеет полосу шума 0,3×fDATA; частоту 0,272×fDATA в 3 дБ; время установления 3/fDATA.

Цифровой фильтр АЦП имеет полосу пропускания на уровне 3 дБ примерно 1,3 кГц при максимальной скорости передачи данных 4,8 кГц. RC-фильтр между демодулятором и АЦП имеет достаточно плоскую характеристику до этой частоты, что уменьшает требования к полосе пропускания АЦП. В системах с более низкими максимальными частотами частота среза RC-фильтра может быть пропорционально уменьшена.

 

Характеристика шума

Уровень шума на выходе схемы зависит от частоты выходных данных АЦП. В таблице приведены значения эффективных разрядов схемы оцифровки данных: частота дискретизации АЦП указана для диапазона выходных напряжений 2,5 В. Уровень шума не зависит от позиции сердечника LVDT.

Таблица. Характеристики шума на разных частотах

Скорость преобразования АЦП (SPS)

Полоса частот на выходе, Гц

ENOB (RMS)

ENOB (p-p)

4800

1300

13,8

11,3

1200

325

14,9

12,3

300

80

15,8

13,2

75

20

16,2

13,5

Если выходной шум ADA2200 будет независим от частоты, то ожидаемое значение эффективных разрядов можно увеличивать на один бит каждый раз при уменьшении частоты выходных данных в четыре раза. На более низких частотах ENOB (эффективное количество разрядов) не увеличивается так сильно, поскольку 1/f шума выходного усилителя ADA2200 начинает доминировать над низкоскоростными данными.

 

Нелинейность

Для определения нелинейности схемы первые измерения делали в двух калибровочных точках при перемещении сердечника на ±2 мм. По этим измерениям были определены наклон и смещение для обеспечения наилучшей линейной характеристики. Повторные измерения были проведены при перемещении сердечника в полном диапазоне ±2,5 мм. Для определения ошибки нелинейности полученные данные вычитались из результатов первых измерений.

Нелинейность LVDT Е‑серии составляет ±0,5% в диапазоне перемещения ±2,5 мм. На рис. 7 видно, что нелинейность измерительной схемы лучше, чем самого датчика.

Нелинейность измерительной схемы в зависимости от положения сердечника LVDT

Рис. 7. Нелинейность измерительной схемы в зависимости от положения сердечника LVDT

 

Потребляемая мощность

Общая потребляемая мощность схемы составляет 10,2 мВт, из которых 6,6 мВт приходятся на LVDT, а 3,6 мВт — на остальную часть схемы. За счет увеличения сигнала возбуждения LVDT возможно добиться лучшего значения SNR (отношение сигнал/шум), но при этом увеличится и потребляемая мощность схемы. Для сохранения SNR схемы и снижения ее энергопотребления можно уменьшить уровень сигнала возбуждения и применить маломощный сдвоенный усилитель для усиления выходного сигнала LVDT.

 

Вывод

Многие проблемы, связанные с характеристиками датчиков сбора информации, могут быть решены с помощью синхронной демодуляции. Системы с частотой возбуждения до 1 МГц и требованиями к динамическому диапазону на уровне 80–100 дБ могут быть выполнены с помощью недорогой малопотребляющей аналоговой схемы, требующей минимальной цифровой постобработки. Понимание принципа работы фазового детектора и вероятных шумовых характеристик на выходе датчика является ключом к определению требований к системе фильтрации.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *