Yüksek-Voltage Ölçüm Challengeslarını Anlamak

ADC'nin mutlak maksimum giriş aralığının tanıtılması, frekans ve sıcaklık boyunca doğrusal sinyal bütünlüğünü korumak için dikkatli bir şekilde ihtiyaç duyar.Spekt elektronik ve insan operatörlerinin tehlikeli geçici sistemlerden korunması için temel zorluklara dikkat edin. Ek zorluklar, elektromanyetik müdahaleyi (EMI), ve lineer bir şekilde sabit bir şekilde kontrol altına almak için lineerliği korumak için ön planda tutmalıdır.

Gerilme ve Güvenlik

Yüksek gerilim ortamları, elektrik şoku, yaylama ve ekipman hasarı riskini ortaya koyar. Isolation challenges -implemento çifterler, izolasyon yükselteçleri veya dijital isolatörler – zemin döngülerini kırıp geçici akımları hassas ADC girişlerine ulaşmanın önlenmesi gerekir.

Gürültü ve Interference

Yüksek gerilim sinyalleri genellikle motorlardan güçlü elektromanyetik alanlarda, güç malzemeleri veya yakın iletim hatlarıyla birlikte birlikte çalışır ve koruyucular, gürültü ölçüm yolunda çiftleştirilebilir, ölçüm sinyalini korurken yüksek frekanslı gürültüyü azaltabilir (SNR) ve etkili bir karar. Dengeli diferansiyel girdiler, çarpıtılmış doldurmalar ve koruyucular bu müdahaleye yardımcı olur.

Linearity ve Dynamic Range

Yüksek gerilim uygulamaları genellikle çok küçük değişiklikler süperizyonlar veya geniş bir amplitüd aralıkları üzerinde yoğunlaşır. Ön uç, yüksek çözünürlükte direnenlere karşı üst düzeye çıkar.

ADC Front End için Anahtar Tasarım

Her yüksek gerilim ADC ön sonu, son tasarım kararlarını etkileyen ticaretle birlikte, gerilim, koruma ve kalibrasyon için sistematik bir yaklaşım gerektirir.

Gerr Design

ADC'nin mutlak maksimum puanı aşmadan yüksek bir gerilimin azaltılması için en basit yöntem (örneğin, 1000 V girişi ve 0-5 V) yüksek bir gerilime karşı, yüksek çözünürlükte bir hıza sahip olmak gerekir.

Galvanic Isolation

ADC ve dijital işleme devrelerine ulaşmaktan tehlikeli yüksek gerilimleri önler. Çeşitli izolasyon teknolojileri mevcuttur:

  • [FONT=0)Opto çiftleri:[Dönetici:[Dönetici:0)))Pekto çiftleri, opto-feedback döngüleri ile yüksek izolasyonlu gerilimler sunar.
  • [FONT:0]Isolation Amplifiers: Bu entegre devreler, hem izolasyon hem de sinyal kontrolü sağlamak için kapasitif, indüktif veya optik darbe kullanır. Modern izolasyon yükselteçleri yüksek ortak mod reddedilmesi (CMRR) ve bant genişliği 100 kHz'yi aşıyorlar, hassas ölçümler için uygun hale getirirler.
  • [FONT:0) Dijital yalıtımcılar: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ: 0,0) Dijital Kaynakçılar:[DÜyetim:[Üyetim:[Üye Olmayanlar:[Üye Olmayanlar: 1), ADC’den sonra sıklıkla kullanılan bu bileşenler dijital veri akışını izole eder.
  • [FONT:0)Magnetic Isolation:[Dönetici:0)[Döneticiler veya çift girişçiler, bir izolasyon bariyeri karşısında güç ve analog sinyalleri iletebilirler. Ayrıca ön sonuna kadar güç tedarik eden izole uç dönüştürücüler de kullanılır.

Uygun izolasyon yöntemi seçmek gerekli doğruluk, bant genişliği, izolasyon gerilimi, maliyet ve yönetim alanı bağlıdır. Birçok yüksek gerilim ölçüm sistemi için, entegre edilmiş bir DC-DC dönüştürücü ile özel bir izolasyon yükselteç tasarımı ve bileşeni azaltılır.

Filtreleme ve Anti-Aliasing

ADC'nin iki birincil amacı vardır: yüksek frekanslı gürültüyü azaltmak ve son derece düşük maliyetli bir şekilde örnekleme yapmak.Testin kesme frekansı sadece ilginin en yüksek frekansının üzerinde ayarlanmış olmalıdır, en az 20 dB'yi en az iki katlama işlemine (örneğin, yarı-bitki oranı) sahip olmak için yüksek çözünürlükte veya düşük maliyetli bir şekilde, ancak sinyal kaynağı ile kullanılan yüksek çözünürlükte kullanılan yüksek çözünürlükte sabit filtreler oluşturabilir.

Koruma Devreleri

Yüksek gerilim aksanları, elektrostatik deşarjdan, yıldırım dalgalanmalarından veya geçicileri geçişten ortaya çıkabilir. Koruma bileşenleri normal ölçüm doğruluğuna etki yapmadan aşırı enerjiyi kilitleyebilir. Ortak koruma elemanları şunları içerir:

  • [FONT:0)Transient Ger Suppression (TVS) Diodes:[Dönetici: 1 ) Biyön TVS diyotlar, hızlı bir gerilim seviyesine doğru monte edilirler.
  • [FONT:0)Gas Discharge Tubes (GDT): ), Bunlar çok yüksek dalgalanma mevcut kullanım sağlar ancak daha yavaş yanıt süreleri vardır. A GDT birincil koruma için TVS ile paralel olarak yerleştirilir.
  • [FONT:0] Yol Dirençleri veya Öpücüler: Mevcut direnişçiler, fikre ulaşmadan önce mevcut dalgalanmaları azaltırlar.
  • [FONT:0]Spark Gaps on PCB:[Dön yüksek gerilimler için, PCB izi üzerinde bir kıvılcım boşluk (küçük hava boşlukları ile) bir dalgalanma sırasında, son sınıf bir yol katlayabilme.

Koruma devreleri, parasitik kapasitelerinin ve sızıntı akımlarının ölçüm doğruluğuna uygun olmadığı için tasarlanmalıdır. Dikkatli bir düzen, mevcut dalgalanmaların sinyal yolunda çift olmadığı konusunda dikkatli bir düzen sağlar.

Kalibrasyon ve doğruluk

Kompiyonlar, sıcaklık sürüklenir ve yaşlanma ön sonunda hata kazanır ve dengelemek için hata telafi eder, genellikle ADC sonrası dijital düzeltme yoluyla yapılır.

  • [FONT=0)Yüksek Kalibrasyon:[Dönetici:[Dönetici:0) Sistem bilinen referans gerilimleri ile test edilir ve düzeltme katları, non-volatile belleklerinde depolanır.
  • [FONT:0)Auto-Calibration:[Dönetici:[Dönetici:0) ADC girişi, ölçüm sinyali, hassas referans gerilimi ve zemin arasında periyodik olarak anahtarlanır ve düzeltmeler yapılır. ADC okumaları daha sonra gerçek zamanlı olarak hesaplamalar yapılır. Auto-calibration parçaları yavaş yavaş yavaş yavaşlar sıcaklık ve yaşlanma nedeniyle, ancak karmaşıklık ve ölçümler kesintiler içerebilir.

Yüksek hacimli uygulamalar için, düşük çözünürlüklü bir referans (örneğin, 2.5 V veya 5 V ile 3 ppm /°C sürüklenme) kullanılabilir. Referans ADC'nin referans girişine bağlanabilir veya bir kalibrasyon kaynağı olarak kullanılabilir.

Tasarım Örnek: 1000 V DC Ölçüm Front End

Tasarım akışını göstermek için, 0-1000 V DC'yi% 0.1'lik doğruluk ve 10 Hz. ADC'nin 0-5 V girişi aralığı ve 16-bit kararı vardır. Aşağıdaki adımlar pratik bir uygulama tanımlar.

Adım 1: Diya Bölünme

200:1 oranında, bölünmeci direnişçiler R1 = 2 MULL (yüksek-şarı) ve R2 = 10 kULL (düşük) R1, sürekli işlem için yeterli olmalıdır: 1000 V, P = V2/R = 1.000.000 / 2.000.000 söndürücü bir gaz kat daha fazla dirençli bir gaza karşı direnç gösteren bir motora karşı direnç gösterir.

2. Adım: Koruma ve Filtreleme

Kaditten sonra, bir TVS diyot (klam gerilimi ~6 V) 10 Hz. sinyal bant genişliğinden aşağılayıcı devreyi koruyabilecek ve 160 Hz. Konseryadayı atacak bir film türü (örneğin, R = 10 kULL ve C = 1 μF, yalıtım yükselteçmiş frekansını azaltır.

Adım 3: Eksikleştirici

Analog Cihazlar ADuM3190 veya 3 kQW'nin izolasyonlu çözümü gibi bir izolasyon yükselticisi kullanılabilir.Bu örnekte, 0-5 V. Yüksek gerilim için bir güç ile izolasyonlu bir yükseltilebilir ve 3 kV'nin izolasyonlu bir gerilimi sağlanır.Prko'nun girişi RC filtresini yüklemekten kaçınmak için tamponlanır.

Adım 4: İkinci Yön Filtre ve ADC Interface

Düşük gerilim tarafında, ADC girişine ek bir ikinci sipariş aktif filtre (örneğin, Sallen-Key, 10 Hz'de kesilmiş herhangi bir gürültüyü ortadan kaldırırsa, o zaman ADC girişine karşı filtrelenmiş bir analog sinyal olmalıdır. ADC, bir hassas dış referans (örneğin, 0-5 V.) kullanılabilir.

Adım 5: Kalibrasyon ve Test

Devre toplandı, bilinen gerilimler (örneğin, 0 V, 500 V, 1000 V) bir kalibreli kaynak kullanarak. ADC okumaları ve hesaplama kazancı ve hataları dengelemek. -40C'ın hafızadaki düzeltme katlarını doğrulamak için.

PCB Layout ve Shielding için en iyi uygulamalar

Yüksek gerilim ADC cephesinin fiziksel düzeni, devre tasarımı kadar kritiktir. Yoksul bir düzen parasitik kapasiteyi, en iyi bileşen seçimlerini bile altüst edebilir.

  • [FONT:0) Yüksek gerilim izlerini kısa ve geniş tut: Minik girişte iz ve koroner deşarj risklerini keskin köşelerden kaçınarak ve yeterli spacing (ben IPC-2221 veya benzeri standartların aksine) korumak için azaltın.
  • [FONT:0) Yüksek gerilim ve düşük gerilim bölgeleri: [Döntgenme: 0:1] Yüksek gerilim ve düşük gerilim alanları arasında bir yuva veya moat ile PCB'de fiziksel izolasyon sadece sertifikalı izolasyon bileşenleri ile.
  • [FONT:0)Dekorkucu halkaları kullanın:[Döneticileri:[Döneticileri:[Döneticileri) Düşük hacimli bir kaynak tarafından yönlendirilen bir bekçi yüzüğü (örneğin, hassas yükselteç girişleri etrafındaki bir gerilim takipçisi) özellikle yüksek devrelerde sızıntı bağlantıları azaltır.
  • [FONT:0)Shielding:[Dönetici:[Dönetici:0)[0][Gönetici: [Dönetici: 0) Bir zemindeki yüksek gerilim bölümü kapat.
  • [FONT:0)Grounding stratejisi:[Dönlendirmek için bir yıldız zemin veya tek nokta zemini, temel devrelerden kaçınmak için temel alan için tek bir bağlantı dışında izole edilmelidir.
  • [FONT:0)Decoupling:[Dönetici:[Dönetici: 0) Place decoupling cleors çok aktif bileşenlerin gücüne yakın, frekans aralığı için uygun değerler ile (0.1 μF seramik) 10 μF elektrolitiği ile paralel olarak.

Doğru ADC'yi seçin

ADC'nin kendisi ön kanaldaki çıktı, çözünürlük ve örnekleme gereksinimleriyle karşı karşıya olmalıdır. yüksek gerilim DC ölçümler için, yüksek çözünürlükle bir delta-sigma ADC (16-24 bit) ve entegre filtreleme genellikle ideal. multi-channel veya daha hızlı örnekleme için, 1 MSPS'nin üzerinden bir başarı kaydı ADC veya daha fazla tercih edilebilir.

  • [FONT=0)Input aralığı:[Dönetici:0) izolasyon yükselticinin (örneğin, unipolar 0-5 V veya bipolar ±5 V) üretimini karşılaştırın.
  • [FONT:0)Resolution:[Dönetici:[Dönetici: 0,8) En az 16 bit gürültü için bir kafa odasında 0.1 doğruluk elde etmek için.
  • [FONT:0) Integral non-linearity (INL): [Dönersizliğe göre ±1 LSB'den daha az.
  • [FONT:0] Performansı:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir sinyal-to-noise oranına (SNR) 16 bit sistemler için 90 dB'den daha büyük bir bakın.
  • [FONT=0)Sampling oranı: [Dönetici: [Dönetici: DC ölçümler için, düşük örnekleme oranı (örneğin, 10-100 SPS) yeterli; AC ölçümler için, Nyquist kriterlerini takip edin.
  • [FONT:0) Interface: [Dönetici:[Dönetici: 0,0) SPI veya I2C, mikro kontrollere kolay bağlantı için; izole dijital isolatörler güvenlik için gerekli olabilir.

Ortak Pitfalls ve Them'dan Nasıl Kaçırmak

Deneyimli mühendisler yüksek gerilim ön uçlarını tasarlarken hata yapabilirler. İşte sık sık sık tuzaklar ve çözümleri:

  • [FONT:0)Inadequate gerilimi ortadan kaldırmak: Dirençler ve kapasitörler, maksimumdan çok daha yüksek gerilimler için derece yüksek puana sahipler (örneğin 1 kV sistemi için 1 kV puanını kullanarak).
  • [FONT:0)Gürücük ve tespit: PCB tasarım standartlarını takip edin (IEC 60950-1 veya IPC-2221) yüksek gerilim ve düşük gerilim izlerinin arasında güvenli mesafeler sağlamak için.
  • [FONT:0) Ortak zemin üzerinden darbeye yol açan bir darbe: [Dönetici:0] Ortak bir hata, tüm sistem aynı yere atıfta bulunmaksızın yüksek gerilimli bir yere bağlanmaktır (bu yüksek gerilimli bir çalışma).
  • [FONT:0] marjinal koruma bileşenleri: TVS diyotları yüksek fikre sahip yüksek söndürücü gerilim (örneğin, 30 V) 5 V ADC girişi koruyamayabilir; ADC'nin maksimum giriş puanının altında güvenli bir şekilde bir TVS seçin.
  • [FONT=0) Sıcaklık sürüklenme:[Dönetici:[Dönüşük:0)Yüzeydeki 100 ppm /°C sürüklenme, 10°C değişikliği üzerinden% 0.1 hataya neden olabilir. Hassas direnç direnç katları ve referans gerilimi kaynaklarını düşük sıcaklık katları ile kullanın.
  • [FONT:0) Yeterli güç kaynağı filtreleme: izole DC-DC dönüştürücüden gürültü sinyal yoluna enjekte edebilir. Düşük ayarlı doğrusal postacılar ve izole tarafta ek filtreleme aşamalarını kullanın.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yüksek gerilim ölçüm uygulamaları için sağlam bir ADC cephesini tasarlamak, sert endüstriyel ortamlarda bile güvenilir ölçümler gerektirir.Dönetici, filtreleme, koruma ve kalibrasyon. Herhangi bir ölçüm sistemi ile, güvenlik ve maliyetle, ve doğru PCB düzeni ve kalkan teknikleri uygulamakla birlikte, mühendisler sert endüstriyel ortamlarda bile güvenilir ölçümler elde edebilir. örnek olarak sunulan - 1000 VVÖLÜMLER -Probleksiyetli bir şekilde ölçüm sistemi ile ilgili olarak, gerçek koşullarda testler ile ilgili ayrıntılı bir şekilde kontroller sunar.