高精度マルチセンサーシステムでのデルタシグマADCの使用

石油、ガス、石油の測定用のマルチセンサー構成は、敏感な圧力と熱のデータを継続的に取得します。ただし、物理的な温度と圧力のエンティティのさまざまな組み合わせをキャプチャするには、非常に簡潔で高解像度のシステムが必要です。

必要な高解像度センサー回路は広範囲の温度と圧力に広がるため、これは設計者にとって困難です。ほとんどの場合、マルチセンサー電子機器は工場での使用には大きすぎ、ディスクリートアナログ信号調整は正確または頑丈ではありません（図1）。

図1：圧力安全弁は、配管システムを過圧から保護します。 （出典：Shutterstock）

マルチセンサーエレクトロニクスのソリューションは、高分解能ADCにあります。熱電対、測温抵抗体（RTD）、圧力センサー、およびアナログ-デジタルコンバーター（ADC）の組み合わせは、主要な仕様である正確で高速なマルチチャネルデルタシグマ（ΔΣ）ADCで実現できます。 RMSノイズです。これにより、石油、ガス、石油の電子機器向けの高精度で堅牢なマルチセンサーシステムが作成されます。

この記事では、ΔΣADCを使用して正確な温度および圧力セルインターフェースを実現することに関連する問題について簡単に説明します。

圧力検知

圧力測定装置は、電気的励起を必要とする装置であり、圧力が唯一の動力源である装置です。機械式装置には、ベローズ、ダイアフラム、ブルドン、チューブ、および圧力計が含まれます。これらのデバイスでは、圧力の変化により、機械式アームの位置やチューブの液面の変化などの機械的反応が開始されます。

電気的に励起される圧力センサーは、ΔΣADCおよびマイクロコントローラーと相乗効果を発揮します。これらのセンサーは、静電容量センサー、線形可変差動変圧器（LVDT）、またはピエゾ抵抗センサーです。通常、ピエゾ抵抗センサーが最適なデバイスです（図2）。

図2：ピエゾ抵抗圧力センサー（a）は、通常、最適なデバイスです。ピエゾ抵抗ブリッジモデル（b）のハイサイドには、電圧または電流の励起が必要です。 （出典：マキシム・インテグレーテッド）

図2aでは、製造されたセンサーの上面は抵抗性材料であり、底面はダイアフラムです。ピエゾ抵抗ブリッジモデルのハイサイド（図2b）には、電圧または電流の励起が必要です。励起の大きさは、センサーの出力のダイナミックレンジ、V _OUT 間の最大差に影響します。 +およびV _OUT – 3.3 Vシステムでは、通常、数十ミリボルトから数百ミリボルトの範囲です。増幅器とADCを使用してブリッジセンサーを追跡する電子機器は、差動出力信号をデジタル表現に変更します。

温度検知の重要性

温度範囲、直線性、精度、耐久性、使いやすさの点で、あらゆるアプリケーションに適した温度センサーにはさまざまな種類があります。このアプリケーションの温度センサーは、圧力センサーの温度を監視して、信頼できる圧力測定値が発生することを確認します。この温度測定を実行するために、このアプリケーションはKタイプの熱電対とRTDを使用します（図3）。

図3：2リードのTYPE-K熱電対では、冷接点補償（CJC）のためにRTDを使用した2回目の温度測定が必要です。 （出典：マキシム・インテグレーテッド）

図3では、頑丈な熱電対温度センサーが最大+ 1260°Cの高温を検知でき、RTDが熱電対/銅の接合部の温度を測定します。

高解像度ADC

ADCの場合、分解能と速度の間には非常に強いトレードオフがあります。最速のコンバーターの中で、パイプラインADCは、最大12ビットのかなりの解像度を生成しながら、毎秒数十ギガサンプル（Gsps）の速度でデータレートを生成できます。

ミドルオブザロードADCは、逐次比較レジスタ（SAR）コンバータです。このコンバーターは、約10Kspsから10Mspsで動作し、最大18ビットの分解能で動作するパイプラインコンバーターよりも遅い出力でサンプルを生成します。許容可能な入力電圧の最下位ビット（LSB）サイズがマイクロボルト（μV）の場合、SARコンバータは業界の主力製品です。ただし、アプリケーションでナノボルト（nV）領域のLSBサイズの変換が必要な場合、実行可能な唯一の代替手段はΔΣADCです（図4）。

図4：基本的なΔΣADCは入力電圧をΔΣ変調器に変換します。 （出典：マキシム・インテグレーテッド）

図4のΔΣADCは、入力電圧をΔΣ変調器に変換します。変調器は、アナログ入力電圧を表す1ビットのノイズ形状のパルス列を作成します。次に、コンバータは1ビットのパルス列を蓄積し、オーバーサンプリングを通じて、信号に対してさまざまなデジタルフィルタリングを実行します。時間の経過とともに、フィルターは高周波ノイズを除去し、最大24ビットのマルチビット結果を生成します。コンバーターはこれらの結果を外部マイクロコントローラーの出力端子に送信します。

ΔΣ モジュレーター

ΔΣ変調器は、ADCのノイズリダクションプロセスを開始します。この変調器を詳しく調べると、ΔΣラベルがどこから来ているかがすぐにわかります（図5）。

図5：2次ΔΣ変調器は、フロントエンドのΔ関数とそれに続く2つの積分器（Σ関数）を含むフィードバックシステムで構成されています。 （出典：マキシム・インテグレーテッド）

図5では、2つの積分器の後、信号は1ビットADCを介して、サンプリング周波数（F _S ）に等しいサンプルレートで変換されます。 ）次に、同じサンプルレートの1ビットDACを介して2つの積分器の入力にフィードバックします。このシステムでは、量子化ノイズ（e _i ）1ビットADCを使用。図5の下部にある式によると、ノイズは以前の変換からのノイズとともに出力に表示されます。

変調器は、変調器の出力での信号の蓄積に対してノイズシェーピング効果を生成します。このノイズシェーピング効果により、1ビット変換量子化ノイズがより高い周波数に整形されます（図6）。

図6：変調器の出力でのノイズは、ノイズ形状の応答を作成します。 （出典：マキシム・インテグレーテッド）

図6では、システムのナイキスト周波数は変調器のサンプリング周波数F _S です。 。変調器の次数によって、周波数に対する量子化ノイズのレベルが決まります（図7）。

図7：このグラフは、1次、2次、および3次の変調器のノイズシェーピング機能を示しています。 （出典：マキシム・インテグレーテッド）

図7では、低次変調器の量子化ノイズはDC付近で高く、高周波で低くなっています。 ΔΣADCは、変調器の1ビット出力ストリームを収集またはオーバーサンプリングし、ローパスデジタルフィルタリングを実行します。

デジタル/デシメーションフィルター

ΔΣADCコアでは、システムノイズを低減するために発生する2つのアクションがあります。変調器はその量子化ノイズをより高い周波数にうまく整形し、デジタル/デシメーションフィルターは高周波ノイズを減衰させます。

次のデジタルローパスフィルターのカットオフ周波数によって決定されるADCの出力データレートは、F _D です。 。デジタル/デシメーションフィルターの周波数応答（図4の破線）は、高周波ノイズを正常に減衰させます。

完了 ΔΣ ADC画像

コアで完全に機能するΔΣADCには、ΔΣ変調器とSincおよび有限インパルス応答（FIR）デジタルフィルターが必要です（図8）。

図8：この図は、圧力センサーと温度センサーの入力を備えた、完全に機能するΔΣADCを示しています。 （出典：マキシム・インテグレーテッド）

コアのΔΣADCブロック図（図4）には、デジタル/デシメーションフィルタがあります。図8の実際のΔΣADCには、一般的なSincおよびFIRデジタルフィルターがあり、コンバーターの低ノイズ画像を完成させます。

Sincデジタルフィルターはローパスフィルター機能を実行します。 1次フィルター設計は、1データワード周期で安定します。 4次SincフィルターまたはSinc ⁴ 4つのデータワード期間で解決します。周波数領域フィルターの形状は、周波数が下がると表示されます（図9）。

図9：これらのグラフは、3次Sincフィルター（Sinc ³ ）の周波数応答を示しています。 ）。 （出典：マキシム・インテグレーテッド）

図9では、50Hzまたは60Hzの倍数などの便利な周波数に一致するように最小の減衰をプログラムできます。図8のデバイスは、Sinc ⁴ を実装しています。 デジタルフィルター。

Sincデジタルフィルターの丸みを帯びた特性により、実装が最も簡単なデジタルフィルターの1つになっているため、ミックスドシグナルアプリケーションで非常に役立ちます。ただし、より鋭いコーナーが望ましいアプリケーションがあります。 FIRフィルターは、安定性の利点を追加して、より鋭いコーナーを提供します。図8のΔΣADCには50Hz / 60 Hzフィルターがあり、毎秒16サンプルのデータレートで50Hzおよび60Hzで90dBを超える除去を提供します。

完全なΔΣADC（図8）には、入力マルチプレクサ、プログラマブルゲインアンプ（PGA）、複雑なデジタルフィルタ、クロックジェネレータ、リファレンスマトリックスなどの追加の補助機能があります。 PT100 RDT、160μAの電流源、および128のPGAゲインを備えた、MAX11410ΔΣADCは、1.234 V〜2.837Vの入力範囲を備えています。Sinc ⁴ のこの24ビットコンバータを使用 構成では、電圧LSBサイズは0.039μV _RMS 。温度精度は±100°Cの範囲であり、RTD精度は約4.7μC/ビットです。

この記事では、石油、ガス、石油電子機器向けのΔΣADCを使用した正確な温度および圧力セルインターフェースの実現に関連する問題について説明しました。アプリケーション回路は、圧力、熱電対、およびRTCセンサーを使用して、単一デバイスの変換を実現します。主要な仕様は、ノイズ、入力マルチプレクサ、および部品表（BOM）のコストです。

>>この記事はもともと姉妹サイトのEDN。