Menggunakan ADC delta-sigma dalam sistem multisensor presisi tinggi

Konfigurasi multi-sensor untuk pengukuran minyak, gas, dan minyak bumi terus-menerus memperoleh data tekanan dan termal yang sensitif. Namun, menangkap berbagai kombinasi entitas suhu dan tekanan fisik memerlukan sistem resolusi tinggi yang sangat ringkas.

Ini menantang bagi para desainer, karena sirkuit sensor resolusi tinggi yang diperlukan tersebar di berbagai rentang suhu dan tekanan. Dalam kebanyakan kasus, elektronik multi-sensor terlalu besar untuk aplikasi pabrik, dan pengkondisian sinyal analog diskrit tidak tepat atau cukup kasar (Gambar 1).

Gambar 1:Katup pengaman tekanan melindungi sistem perpipaan dari tekanan berlebih. (Sumber:Shutterstock)

Solusi untuk elektronik multi-sensor terletak pada ADC resolusi tinggi. Kombinasi termokopel, detektor suhu resistansi (RTD), sensor tekanan, dan konverter analog-ke-digital (ADC) dapat dicapai dengan ADC delta-sigma (ΔΣ) multi-saluran yang presisi dan berkecepatan tinggi, di mana spesifikasi utama adalah kebisingan RMS. Ini menciptakan sistem multi-sensor yang kuat dan berpresisi tinggi untuk minyak, gas, dan elektronik minyak bumi.

Artikel ini membahas secara singkat masalah yang terkait dengan pencapaian antarmuka sel suhu dan tekanan yang tepat menggunakan ADC.

Penginderaan tekanan

Alat pengukur tekanan adalah alat yang membutuhkan eksitasi listrik dan alat yang hanya menggunakan tekanan sebagai sumber tenaga. Perangkat gaya mekanis termasuk bellow, diafragma, bourdon, tabung, dan manometer. Dengan perangkat ini, perubahan tekanan memulai reaksi mekanis, seperti perubahan posisi lengan mekanik atau level cairan tabung.

Sensor tekanan eksitasi elektrik bersinergi dengan ADC dan mikrokontroler. Sensor ini dapat berupa sensor kapasitif, transformator diferensial variabel linier (LVDT), atau sensor piezoresistif. Biasanya, sensor piezoresistif adalah perangkat pilihan (Gambar 2).

Gambar 2:Sensor tekanan piezoresistif (a) biasanya merupakan perangkat pilihan. Sisi tinggi model jembatan piezoresistif (b) membutuhkan eksitasi tegangan atau arus. (Sumber:Maxim Integrated)

Pada Gambar 2a, sisi atas sensor yang dibuat adalah bahan resistif dan bagian bawahnya adalah diafragma. Sisi tinggi dari model jembatan piezoresistif (Gambar 2b) membutuhkan eksitasi tegangan atau arus. Besarnya eksitasi mempengaruhi rentang dinamis keluaran sensor, perbedaan maksimum antara V_OUT + dan V_OUT – dalam sistem 3,3 V, yang umumnya berkisar dari puluhan milivolt hingga beberapa ratus milivolt. Elektronik, yang mengikuti sensor jembatan menggunakan amplifier dan ADC, mengubah sinyal keluaran diferensial menjadi representasi digital.

Pentingnya penginderaan suhu

Ada banyak jenis sensor suhu yang sesuai untuk aplikasi apa pun dalam hal rentang suhu, linieritas, akurasi, kekasaran, dan kemudahan penggunaan. Sensor suhu dalam aplikasi ini memantau suhu sensor tekanan untuk memastikan pembacaan tekanan yang andal terjadi. Untuk melakukan pengukuran suhu ini, aplikasi ini menggunakan termokopel tipe-K dan RTD (Gambar 3).

Gambar 3:Termokopel TYPE-K dua sadapan memerlukan pengukuran suhu kedua dengan RTD untuk kompensasi sambungan dingin (CJC). (Sumber:Maxim Integrated)

Pada Gambar 3, sensor suhu termokopel yang kokoh dapat mendeteksi suhu tinggi hingga +1260°C, sedangkan RTD mengukur suhu pada sambungan termokopel/tembaga.

ADC resolusi tinggi

Dengan ADC, ada tradeoff yang sangat kuat antara resolusi dan kecepatan. Dari konverter tercepat, ADC pipeline dapat menghasilkan kecepatan data dalam kecepatan puluhan giga-sampel-per-detik (Gsps), sekaligus menghasilkan resolusi yang baik hingga 12 bit.

ADC tengah jalan adalah konverter successive-approximation-register (SAR). Konverter ini menghasilkan sampel pada output yang lebih lambat daripada konverter pipa yang beroperasi pada sekitar 10 Ksps hingga 10 Msps dan pada peningkatan resolusi hingga 18 bit. Konverter SAR adalah pekerja keras industri yang baik, jika ukuran tegangan input least-significant-bit (LSB) yang dapat diterima adalah dalam mikrovolt (μV). Namun, jika aplikasi membutuhkan konversi ukuran LSB di wilayah nanovolt (nV), satu-satunya alternatif yang layak adalah ADC (Gambar 4).

Gambar 4:ADC dasar mengubah tegangan input menjadi modulator . (Sumber:Maxim Integrated)

ADC pada Gambar 4 mengubah tegangan input menjadi modulator . Modulator menciptakan rangkaian pulsa satu bit, berbentuk noise, yang mewakili tegangan input analog. Konverter kemudian mengakumulasi rangkaian pulsa satu bit dan melalui pengambilan sampel berlebih, melakukan berbagai pemfilteran digital pada sinyal. Seiring waktu, filter menolak noise frekuensi tinggi dan menghasilkan hasil multi-bit setinggi 24 bit. Konverter mengirimkan hasil ini ke terminal keluaran mikrokontroler eksternal.

ΔΣ modulator

Modulator memulai proses pengurangan kebisingan ADC. Pemeriksaan dekat modulator ini dengan cepat mengungkapkan dari mana label berasal (Gambar 5).

Gambar 5:Modulator orde kedua terdiri dari sistem umpan balik yang berisi fungsi front-end diikuti oleh dua integrator (fungsi ). (Sumber:Maxim Integrated)

Pada Gambar 5, setelah dua integrator, sinyal dikonversi melalui ADC 1-bit dengan laju sampel yang sama dengan frekuensi pengambilan sampel (F_S ) dan kemudian diumpankan kembali melalui DAC 1-bit dengan laju sampel yang sama ke input dari dua integrator. Dalam sistem ini, ada injeksi kebisingan kuantisasi (e_i ) dengan ADC 1-bit. Sesuai rumus di bagian bawah Gambar 5, noise muncul di output bersama dengan noise dari konversi sebelumnya.

Modulator menghasilkan efek pembentukan noise pada akumulasi sinyal pada output modulator. Efek pembentukan noise ini membentuk noise kuantisasi konversi 1-bit menjadi frekuensi yang lebih tinggi (Gambar 6).

Gambar 6:Noise pada output modulator menciptakan respons berbentuk noise. (Sumber:Maxim Integrated)

Pada Gambar 6, frekuensi Nyquist untuk sistem adalah frekuensi sampling modulator, F_S . Urutan modulator menentukan tingkat kebisingan kuantisasi atas frekuensi (Gambar 7).

Gambar 7:Grafik ini menunjukkan kemampuan pembentukan noise dari modulator orde pertama, orde kedua, dan orde ketiga. (Sumber:Maxim Integrated)

Pada Gambar 7, kebisingan kuantisasi dari modulator orde rendah lebih tinggi di dekat DC dan lebih rendah pada frekuensi tinggi. ADC mengumpulkan atau mengambil sampel lebih dari aliran output 1-bit modulator dan menjalankan pemfilteran digital lowpass.

Filter digital/penipisan

Dengan inti ADC, ada dua tindakan yang terjadi untuk mengurangi kebisingan sistem. Modulator berhasil membentuk noise kuantisasi ke frekuensi yang lebih tinggi dan filter digital/decimation meredam noise frekuensi tinggi.

Laju data keluaran ADC, seperti yang ditentukan oleh frekuensi cutoff filter lowpass digital berikut, adalah F_D . Respons frekuensi filter digital/decimation (garis putus-putus pada Gambar 4) berhasil meredam noise frekuensi yang lebih tinggi.

Selesai Gambar ADC

ADC yang berfungsi lengkap pada inti memerlukan modulator dan filter digital Sinc dan finite impulse response (FIR) (Gambar 8).

Gambar 8:  Diagram ini menunjukkan ADC yang berfungsi lengkap dengan input sensor tekanan dan sensor suhu. (Sumber:Maxim Integrated)

Dalam diagram blok inti ADC (Gambar 4), terdapat filter digital/decimation. ADC aktual pada Gambar 8 memiliki filter digital Sinc dan FIR yang sama, yang melengkapi gambar noise rendah konverter.

Filter digital Sinc menjalankan fungsi filter lowpass. Desain filter orde pertama menetap dalam satu periode kata-data. Filter Sinc orde keempat atau Sinc ⁴ mengendap dalam empat periode kata-data. Bentuk filter domain frekuensi muncul dengan penurunan frekuensi (Gambar 9).

Gambar 9:  Grafik ini menunjukkan respons frekuensi filter Sinc orde ketiga (Sinc ³ ). (Sumber:Maxim Integrated)

Pada Gambar 9, redaman terendah dapat diprogram untuk mencocokkan frekuensi yang sesuai seperti kelipatan 50 Hz atau 60 Hz. Perangkat pada Gambar 8 mengimplementasikan Sinc ⁴ filter digital.

Karakteristik bulat dari filter digital Sinc menjadikannya salah satu filter digital paling sederhana untuk diterapkan, sehingga sangat berguna dalam aplikasi sinyal campuran. Namun, ada aplikasi di mana sudut yang lebih tajam lebih disukai. Filter FIR menawarkan sudut yang lebih tajam dengan manfaat stabilitas tambahan. ADC pada Gambar 8 memiliki filter 50 Hz/60 Hz yang memberikan penolakan lebih dari 90 dB pada 50 Hz dan 60 Hz pada kecepatan data 16 sampel per detik.

ADC lengkap (Gambar 8) memiliki fungsi tambahan tambahan seperti input multiplexer, programmable gain amplifier (PGA), filter digital kompleks, generator jam, dan matriks referensi. Dengan RDT PT100, sumber arus 160 A, dan penguatan PGA 128, MAX11410 ADC memiliki rentang input 1,234 V hingga 2,837 V. Dengan konverter 24-bit ini dalam Sinc ⁴ konfigurasi, ukuran tegangan LSB adalah 0,039 V_RMS . Akurasi suhu berada pada kisaran ±100 °C dan akurasi RTD ~4,7 °C/bit.

Artikel ini telah menyajikan masalah yang terkait dengan mencapai antarmuka sel suhu dan tekanan yang tepat dengan ADC untuk elektronik minyak, gas, dan minyak bumi. Sirkuit aplikasi menggunakan sensor tekanan, termokopel, dan RTC untuk mencapai konversi perangkat tunggal, dengan spesifikasi utamanya adalah noise, multiplexer input, dan biaya bill-of-materials (BOM).

>> Artikel ini awalnya diterbitkan pada situs saudara kami, EDN.