In der Vergangenheit bedeutete der Entwurf eines Datenerfassungssystems, geeignete Kombinationen von Komponenten aus einem Stapel von Datentabellen zu finden und Fehler am zusammengebauten Prototyp zu beheben. Jetzt können Designer mithilfe digitaler Designtools Modelle von Sensoren, analogen Signalaufbereitungsblöcken, Analog-Digital-Wandlern (ADCs) und digitalen Filtern per Drag-and-Drop in virtuelle Signalketten ziehen und so Zeit sparen und Umwege reduzieren. Diese Software kann die Ausgabe einer virtuellen Kette simulieren, sodass Designer verstehen können, wie sich ausgewählte Komponenten auf die Ergebnisse auswirken, z. B. Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Verstärkungs- und Offsetfehler und Leistung.
Die digitale Design-Suite Precision Studio von Analog Devices, Inc. (ADI), einschließlich Signal Chain Designer, ist nicht übersetzt. Dieses Modul kann Designern dabei helfen, Datenerfassungssysteme zu simulieren, bevor sie sie erstellen. Im Signal Chain Designer können Benutzer einen Sensor auswählen, Parameter für das Modell festlegen und ihn dann in den Schaltkreisblock einfügen, der die Signalkettenkomponenten darstellt (Abbildung 1).
Signalkettendesigner im ADI Precision Studio
Abbildung 1: Mit dem Signal Chain Designer in ADI Precision Studio können Designer Sensoren auswählen und die entsprechenden Schaltkreisblöcke in die Signalkette ziehen, um Datenerfassungskomponenten zu simulieren. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)
Bevor Sensorsignale in zuverlässige Daten umgewandelt werden, müssen sie einer mehrstufigen Verarbeitung unterzogen werden, wobei jede Ebene aus einer oder mehreren elektronischen Komponenten oder IC-Modulen mit integrierten Schaltkreisen besteht, die als Vorverarbeitungssignal für die nächste Ebene dienen. Die gebräuchlichste Verarbeitungsstufe kann analoge Signale verstärken, analoge Signale filtern, analoge Signale in digitale Signale umwandeln und digitale Signale filtern.
Analoge Signalverstärkungsstufe
Die von Sensoren erzeugten analogen Signale stimmen oft nicht mit dem optimalen Eingang des Datenerfassungssystems überein. Die analoge Signalverstärkungsstufe verwendet Operationsverstärker (Operationsverstärker), Volldifferenzverstärker, Spannungsreferenzen sowie passive Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten, um Sensorsignale in die vom Datenerfassungssystem benötigte effektive Form umzuwandeln.
Im Signal Chain Designer können Benutzer die Eingangs- und Ausgangstypen, die erforderliche Verstärkung und die Pegelverschiebung festlegen, die erforderlich sind, um den korrekten Spannungseingang für analoge Verstärkungsstufen zu erreichen. Anschließend erstellt die Software mithilfe von ADI-Produkten Schaltkreise, die den eingestellten Parametern entsprechen, und gibt schematische Diagramme aus.
Beispielsweise kann der Benutzer für den in Abbildung 1 verwendeten Sensor mit 1 kΩ Impedanz, 1 kHz Frequenz und 100 pF Kapazität die Verstärkung auf 2 V/V und den Pegeloffset auf 2,5 V einstellen (Abbildung 2).
Benutzer können Parameter wie Konfiguration, Verstärkung und Pegelverschiebung einstellen
Abbildung 2: Benutzereinstellungen für die Konfiguration der analogen Signalverstärkungsstufe, Verstärkung, Pegelverschiebung und andere Parameter im Signal Chain Designer. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)
Basierend auf diesen Parametern erstellte die Software einen Schaltplan der analogen Signalverstärkungsstufe (Abbildung 3, oben), die einen Operationsverstärker ADA4097-2 enthält. Der Operationsverstärker der Serie ADA4097-2 benötigt nur 32,5 µA Strom pro Kanal, um ein Verstärkungsbandbreitenprodukt (GBP) von 130 kHz zu erreichen, und das Spitze-Spitze-Rauschen (PP) zwischen 0,1 Hz und 10 Hz beträgt 1000 nV, mit einer typischen 1/f-Rauschen-Winkelfrequenz von 6 Hz.
Die Software entwickelte außerdem eine Referenzschaltung für die Verstärkerstufe, die eine Präzisions-Bandlückenspannungsreferenz LTC6655B-2.5 und einen Operationsverstärker AD8510 (Abbildung 3, unten) umfasst, die beide von ADI stammen.