ADI:一种面向极点高温环境的高牢靠精细数据收集与操控渠道

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简介

在许多恶劣环境体系中，一个不断添加的趋势是高精细电子器材离高温区域越来越近。这一趋势背面有多个推进要素，在动力勘探、航空航天、轿车、重工业和其他终端运用中都有体现。¹ 例如，在动力勘探范畴，环境温度增幅为深度的函数，相关设备的典型作业温度为175°C及以上。受尺度和功率约束，有源冷却不太实践，热对流十分有限。在其他体系中，需求把传感器和信号调度节点置于高温区域邻近，比方发动机、刹车体系或高功率动力转化电子器材，以进步体系的全体牢靠性或下降成本。

从历史上来看，工程师要为这些运用规划出牢靠的高功用电子器材是十分困难的事，由于市场上短少制造商为这些作业条件出产指定的组件。走运的是，近年来呈现了越来越多的（IC和无源）组件，制造商指定的作业温度高达175°C及以上。别的，最近的参阅规划也偏重于功用，将部分这些组件在信号链子体系中结合起来，完结精细数据搜集，以使体系规划师能更快地选用相关技能（如 CN-0365），并协助他们下降规划危险、缩短上市时刻。但在此之前，在高温精细数据搜集方面，间隔特性杰出、广泛可用的全功用渠道还存在一些距离。

在本文中，咱们将介绍一种新式高温精细数据搜集与处理渠道，其作业温度高达200°C。该渠道包含一个高温电路组件，以及一个数据搜集前端和微操控器、优化的固件、数据搜集与剖析软件、源代码、规划文件、资料清单和测验报告。该渠道合适参阅规划、快速原型制作和高温仪器仪表体系实验室测验。电路组件的尺度和结构均通过特别规划，可兼容石油天然气仪器仪表的尺度要求，但也可作为其他高温运用的根底。

硬件架构概述

油气勘探中运用的仪器仪表（也称为井下东西）与许多精细数据搜集与操控渠道相似，但对功用和牢靠性有着具体的要求，能够作为本参阅渠道的事例进行研究。在该运用中，体系来自各类传感器的信号采样，以搜集与周围地质结构相关的信息。这些传感器或许是电极、线圈、压电传感器或其他传感器。加速度计、磁力计和陀螺仪能够供给有关钻柱的倾角和转速信息。这些传感器中有一些的带宽要求极低，其他传感器则能供给音频频率规模内或以上的信息。需求运用多个搜集通道，还有必要在高温（一般为175°C及以上）下保持高精度。别的，这些仪器仪表中很大一部分选用电池供电，或许可用电能有限，因而，有必要具有低功耗和多个作业形式的特色，以完结功耗优化。

在有关电子体系的要求以外，井下运用还存在机械上的约束，或许决议着电子组件的尺度，也或许会影响组件的封装和挑选。关于后一个问题，咱们将在后边各节里具体评论，现在要注意的是，这一段的电路组件一般对电路板宽度有约束。有必要将电子组件放在钻探作业中运用的管状压力容器中，因而其长宽比具有细长的特色。这种形状上的特色约束了可用组件的尺度和密度，也或许约束组件布局和信号路由的切割方法，成果或许对高精度电子器材的功用形成影响，因而，要特别注意布局和其他封装规划细节。图2所示为一种典型尺度、装在一个管状压力容器里的电路组件（通明，顶部），装上电路板后管状压力容器的横截面（底部）。

本文评论的牢靠参阅规划渠道依据CN-0365模仿前端参阅规划，其意图是为依据高温低功耗微操控器的精细数据搜集和操控解决方案奠定根底，使其契合很多井下仪器仪表和其他高温电子器材的要求。依据AD7981 模数SAR转化器，该参阅规划展现了一种全功用的体系，带2个高速同步采样通道和8个额外的多路复用通道，可满意广泛的井下东西的数据搜集需求（共10个通道）。该模仿前端通过SPI端口接入来自联盟合作伙伴Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM^® Cortex^®-M0。该规划是不断强大的 ADI高温运用产品和解决方案生态体系里的最新成员。

搜集后，能够在本地处理数据，也可通过UART或可选的RS-485通讯接口传输出去。电路板上的其他配套组件（包含内存、时钟、电源和无源器材）均为各自供货商指定的、支撑高作业温度的器材，经验证，这些组件能在200°C或以上的温度下牢靠地作业。图1和图2所示为该高温参阅渠道的实践电路板图和高层次功用框图。图2所示电路板展现的是井下电路板布局和尺度，约长11.4英寸、宽1.1英寸。

CN-0365运用笔记中全面地介绍了该渠道精细数据搜集通道的规划问题。3 该规划是这个渠道上的三个ADC输入的根底，不过，为了满意电路板尺度要求，使渠道能在最高200°C的温度下牢靠地作业，主要在无源元件挑选方面进行了一些调整和优化。参阅搜集通道电路如图4所示。有2个能在高采样速率下作业的数字多路复用通道，每一个都含有一个完好的数据搜集通道（与CN-0365相似）。还有一个模仿多路复用通道，其在输入之前添加了一个ADG798多路复用器，并针对低吞吐量输入进行了优化。R1和R3为U1的同相输入供给1.25 V偏置电压，避免其在断开时或许撤销挑选多路复用器时，起浮至模仿输入的供电轨。能够更改R8和R9，以进步U1的增益。R4、R7和C1是抗混叠滤波器，但也能够将它们重新装备为衰减器或替换滤波器装备。R5、R6和C4构成ADC驱动器与ADC输入之间的RC滤波器，该滤波器的作用是约束抵达ADC输入的带外噪声量，并衰减来自ADC输入开关电容的反冲电压。⁴

规划该渠道便是为了运用AD7981 ADC的多个要害特性。这款16位、600 kSPS转化器能进步超越85 dB的典型SINAD以及±0.6 LSB的典型INL，其间，基准电压源为2.5V且无丢码。选用5 V基准电压源时，能够完结90 dB以上的SINAD，但在本渠道中，为了保持与较低电压体系的兼容性，咱们没有挑选这一规范。由于ADC内核在转化周期之间会主动进入省电状况，因而，ADC的功耗会随吞吐量主动线性改动。在运用低采样速率的转化器时，这样做能够完结节能。

软件概述

固件

渠道的固件依据FreeRTOS操作体系制成，能够便利地集成使命，如数据处理和其他通讯。咱们对代码进行了优化，以便非多路复用通道0和1能高效地完结快速ADC转化，多路复用通道2到9的转化耗时低至10 μs。转化成果能够在本地处理，也能够2 Mbps的速率从UART通道中传输出去。转化成果缓冲器的巨细为16 kB（8k次采样成果），既可在多个通道之间同享，也可专门供一个通道运用。该固件以开源格局供给，终究用户能够对其进行定制，还可将其作为终究运用的根底。

数据搜集与剖析软件

图5所示为数据搜集与剖析软件，依据.NET接口规划，电源组件通过一个USBUART-TTL电平转化器。凭借定义明确的协议，能够与硬件（包含操控和数据流）进行通讯。数据能够在突发形式下搜集数据，也可接连搜集。别的纳入了数据剖析功用，以在时域和频域剖析与验证SNR、THD和SINAD（如FFT）。也可将数据记录到文件（如导出到Excel），以便存储起来或许在其他运用中进行处理。就如固件相同，咱们免费供给了数据搜集软件的源代码，终究用户能够进行定制。

高温结构

本参阅渠道选用合适在200°C条件下作业的组件和其他资料制成。渠道上运用的一切组件均为各自制造商指定的高温作业组件（还有说明时在外），并且全球经销商网络现已开端很多供货。悉数BOM、PCB布局图和装置图纸都随参阅规划包免费供给。

电容

用C0G或NP0电介质电容进行小容值的滤波器和去耦。这些电介质电容的温度系数体现极端平整，一般来说，其对委曲应力的耐受性更好。⁵为使RC滤波器具有高Q、低温度系数，并且在改动电压下具有安稳的电气特性，主张运用C0G或NP0型电容。咱们用小尺度0805或以上陶瓷器材减小了组件与PCB之间的CTE失配。出于很多存储需求，咱们挑选了高温钽电容，并在尺度与ESR之间进行了平衡。实践上，图8终究标明，运用100 kΩ和1 MΩ电阻时，安稳性的确会遭到影响。由于输出电压会遭到严厉滤波，所以，栅极电压就变成了振铃检测器。振铃表明相位裕量糟糕或为负值，振铃频率显现交越频率。

电阻

规划主体部分选用薄膜SMT电阻（轿车级PATT系列），市场上货源充足。别的，依据规划需求，针对特定值和尺度挑选了部分厚膜SMT电阻。

连接器

电路板连接着一个额外温度为200°C的Micro-D，后者常用于高牢靠性职业。为了削减信号串扰，咱们对连接器外壳进行了特别处理，将其接地至组件中的PCB。关于要求最高信号完好性和最低串扰的运用，则要选用高温专业连接器（或许无连接器）和同轴或屏蔽平衡输入，以削减串扰。

PCB规划和布局

在井下运用中宜挑选细长形的PCB，由于这些运用里的电路板有必要契合钻孔和耐压壳约束要求。挑选的电路板资料是一种耐高温无卤聚酰亚胺。指定电路板厚度为0.093英寸而非0.062英寸的规范厚度，由于这样能够添加刚度和平整度。

选用镍金外表处理，其间镍供给一个壁垒，可避免金属间增生，金则为接头焊接供给一个杰出的外表。

关于挑选的0.093英寸电路板厚度，典型的四层堆叠中有一个约13密耳的铜阻隔层和一个60密耳的大内核。假如是六层结构，则阻隔层一般厚9.5密耳和28密耳。为此，咱们选用了六层规划，这样就能够在每个信号层设置一个接地层，然后改进噪声功用。

电源和数字通讯信号馈入一个连接器，模仿信号则馈入反向连接器。这样就能够在数字域与模仿域之间完结杰出的阻隔和信号流。地的切割设在电路板中心，电源滤波则设于分隔处邻近。尽量削减与分隔层相交的数字操控线路，选用串联端接以削减数字噪声耦合。用铜网络接线在一个点把数字和模仿接地层焊接起来，为驱动源供给一个低阻抗回路。

多路复用器操控信号与模仿部分长度相同，但其敷设途径与要害模仿信号途径离隔。在实践中，这些多路复用操控线路会与搜集数据丈量同步改动，然后最大极限地削减了串扰效应。

焊接

挑选Sn95/Sb05是为了在200°C的作业温度下供给足够高的熔点(>230°C)，一起还考虑了杰出的操作性和装置工厂的现有加工能力。

电路板装置

咱们在这块电路板上供给装置柱是出于便利考虑，其仅适用于基准测验或实验室环境，不合适强冲击和强轰动环境。假如要用于强冲击和强轰动环境，能够先用环氧树脂把组件固定在电路板上。关于IDC接头号软弱组件，能够选用密封方法或许从装置件中移除。在井下或其他恶劣环境中，典型装置方法是选用导轨装置体系，用柔性抗冲击装置垫圈把整个电路板固定起来。也能够把装置件彻底密封起来并装入装置硬件中，然后把装置硬件固定到底盘或外壳上。

有关相关器材的更多信息，请参阅《面向高温电子运用的低功耗数据搜集解决方案》一文。²

功用测验成果

咱们对多块电路板进行了广泛的测验，以评价其在作业温度规模内的典型功用；一起还在200°C环境温度下浸泡了200小时，以便测定装置工艺和电路板的牢靠性。

沟通和直流信号链功用是依据SAR ADC的精细数据搜集体系的一项要害精度目标。当ADC以600 kSPS的速率运转并且作业温度为200°C时，鲁棒的比率式渠道的串扰功用可达–100 dB以上，最大失调漂移达±60 mV。关于沟通测验，用一个1 kHz的低失真音作为输入信号，并用+5 VDC/–2.5 V_DC模仿电源为电路板供电。图6所示为该信号音在400 kSPS下的FFT及频谱剖析计算成果。在200°C下，SNR优于84 dB，THD达–96 dB。图7所示为SNR和SINAD，图8所示为选用同一输入音时，非多路复用通道在作业温度规模内的THD。

咱们丈量了模仿和数字供电轨在作业温度规模内的功耗，成果如图9所示。室温下的总功耗为155 mW，200°C下则增至225 mW。3.3 V供电轨上的功耗由以全时钟速率运转的微操控器和一个精细轰动器为主。咱们为转化器设定的突发采样速率为每秒8192个样本。

有关额外参数的测验成果请参阅参阅渠道，其额外参数目标契合200°C作业温度要求。

运用示例

油气勘探、航空航天和重工业范畴的多种运用通过加速度计完结定向和轰动检测。搭载模仿输入的加速度计具有最高的精度，并且十分灵敏，能依据运用需求调理传感器输出。

ADXL206 是一款完好的精细型低功耗双轴iMEMS®加速度计，可用于高温环境。其规模为±5 g，带宽规模为0.5 Hz至2.5 kHz。ADXL206的输出以½ V_CC为中心，与V_CC成比率。假如ADXL206和 EV-HT-200CDAQ1共用V_CC（在连接器上供给），则能够用多路复用器S7通道上的V_CC基准电压源清零直流失谐和电源漂移。图10为一个示例电路。有必要按½的份额因子对ADXL206的信号规模（0 V至5 V）进行调理，使其与精细数据搜集体系0 V至2.5 V的规模相拟合。具体方法是，先缓冲输出，然后运用数据搜集体系内部的衰减器。C2和C3设定ADXL206的带宽；图9中的比如所示带宽为33 Hz。低带宽运用能够运用多路复用器输入；要完结最高的带宽和精度，能够运用两个非多路复用输入通道。

小结

本文介绍了一种新的、高度集成的鲁棒型精细数据搜集参阅渠道，EV-HT-200CDAQ1，该渠道通过测定，其参数目标契合200°C作业温度要求。凭借该渠道，高温电子体系规划师能够在原型制作和评价中运用最先进的组件，然后缩短开发时刻和上市时刻。有关该渠道的更多信息（包含整个规划包和软件），请点击 此处。

参阅电路

¹ Jeff Watson and Gustavo Castro. “高温电子设备对规划和牢靠性带来应战”，模仿对话，第46卷第4期，2012年4月。

² Jeff Watson and Maithil Pachchigar. “面向高温运用的低功耗数据搜集解决方案”，模仿对话，第49卷第3期，2015年8月。

³ CN-0365：面向高温环境的16位、600 kSPS、低功耗数据搜集体系，ADI公司，2015年6月。

⁴ Alan Walsh. “面向精细SAR模数转化器的前端放大器和RC滤波器规划”，模仿对话，第46卷第4期，2012年12月。

⁵ John L. Evans, James R. Thompson, Mark Christopher, Peter Jacobsen, 和 R. Wayne Johnson. “不断改动的轿车环境：高温电子设备.” 《IEEE电源电子会刊》，第27卷第3期，2004年7月。