ADI

作者:Martin Murnane

ADI太阳能光伏发电系统 martin.murnane@analog.com

简介

太阳能光伏逆变器转换来自太阳能面板的电能并高效地将其部署到公用电网中。早期太阳能PV逆变器只是将电能转储到公用电网的模块。但是,新设计要求太阳能光伏逆变器对电网的稳定性作出贡献。本文将回顾最新的ADI技术如何以HAE(谐波分析引擎)的方式改善智能电网的集成度,并监控电网上电源质量,从而极大地增强电网稳定。

智能电网

什么是智能电网?IMS Research将智能电网定义为“一种自身能够高效匹配和管理发电和用电并可最大程度地利用各种可用资源的公用供电基础设施”。若要将新一代太阳能光伏逆变器接入智能电网,则逆变器需要越来越高的智能程度才能实现。这本身就是一个难题,主要是因为当电力需求在别处时,此处却连接了过多的电网,从而发生不平衡。基于这个原因,如前文所述,太阳能光伏逆变器需要具备更高的智能程度,并且这种智能应侧重于电网集成,其中系统需协助稳定电网,而非作为电网的一个简单电源使用。

图1. ADSP-CM403 HAE框图(ADI公司)

这要求更好地对注入电网的电能进行测量、控制和质量分析。当然,这会促成新指令的发布以及更高的技术要求,进而直接导致新技术的产生。

详文请阅:ADSP-CM403 HAE在太阳能应用中的谐波分析

点击这里,获取更多电机控制设计信息

围观 2
189

1.概述

所谓直驱就是将新型旋转电机或直线电机直接耦合或连接到从动负载上实现驱动。由于取消了传统系统中的许多中间环节,如皮带或链条或钢丝绳和齿轮箱等部件,结构大大简化,从而使整个系统具有高效低耗、高速高精度、高可靠免维护、高刚度快响应、无需润滑、运行安静等优点。

直驱技术被国外工业界称之为现代驱动技术中的先进方法和技术,被越来越多地应用到各行业中。作为直驱技术最主要和关键的部分即为直驱式旋转电机(DDR)和直驱式直线电机(DDL),它不是简单的将旋转电机或直线电机搬到系统中去,而是要将这两种电机根据不同的系统和工况进行系统的创新设计。本文技术正是完成了创新设计的(DDR)和(DDL),实现了直驱,取得了明显的高效节能效果。本文就该技术所完成的一系列成果中的1例DDR(DDR1)和2例DDL(DDL1、DDL2)作一介绍。

直驱式旋转电机(DDR1)的基本原理与结构

直驱式旋转电机(DDR1)的基本原理与结构是采用永磁的方式,并设计了专门的盘面电机,同时 充分利用了外转子式结构两端面的空间,将两个盘面电机的定子与外转子式结构的定子固定在一起,两个盘面电机的转子盘与外转子式结构的转子筒构成一个三维封闭的外转子。在同样的空间体积下,这种复式结构较单个外转子式结构和单个盘形结构的电机能产生更大的电磁转矩。复式永磁同步电动机的整体结构如图1所示。

从图1可见,直驱复式三维永磁电机由三组相对独立的定、转子组复合而成,可以视为一个圆筒形的外转子式永磁电机与两个圆盘形的轴向磁通永磁电机合成的结构。但三者之间不是完全独立的,它们是相互影响、相互作用的统一体。要使直驱复式三维永磁电机能转动并输出转矩,必须使三个定转子组形成的三个电磁系统协调一致。根据直接驱动抽油机的结构条件, 复合式三维永磁电机必须满足低速大力矩的驱动要求。在复合式三维永磁电机的研发中,我们解决了以下几个关键技术问题即:

①双盘面电机与外转子电机的结构设计问题
②复合永磁同步电机的起动、正、反转的稳定运行问题
③复合式三维永磁电机的全新计算方法和设计程序 该电机的创新在于:

研发了全新的复式电机结构形式,使电机的功率密度达到最大化 全新的电磁场分布形式,使电机的机电能量变换达到最佳化

直驱式直线电机(DDL1、DDL2)的基本原理与结构

直驱式直线电机DDL1主要是为悬挂输送系统开发的,这种电机在系统中必须满足以下条件:

1)扁平型结构,限定体积
2)单向运行,频繁起动,运行时间秒级;
3)起动电流要小于同容量电机,冲击小、响应快;
4)结构简单成本低、重量轻;

单相直线感应电机具有多种不同结构,适用于不同场合。若要满足以上条件,需要采用结构最简单的2 极电容运行电机,其主副相线圈都只有一个,由于系统运行速度不快,因此电机极距较小,限制了槽宽的大小,为了放置线圈初级铁芯需大大增加槽高,槽高/槽宽比普通电机大,称之为深槽结构。通过特深槽结构亦可提高启动力矩。本项目电机主要解决了以下几个问题:

1)采用深槽式结构与分层绕组加大启动力矩
2)运用场路结合方法完成电机设计与全面优化,达到单位体积推力最大化。
3)电机整体塑封,整体性强,绝缘性好。 直驱式直线电机(DDL1结构见图2

直驱式直线电机DDL2主要是为食品切片机与电梯门机开发的,这些系统的直驱式直线电机要具备调速范围宽、推力密度大、推力稳定响应快等特点,而现有直线电机往往会遇到体积过大、推力不足、推力波动大、响应慢、温升过高等问题,这些问题对直驱式直线电机的设计提出了更高的要求。本直驱式直线电机DDL2由基本的动子(初级)和定子(次级)两部分结构组成。定子部分主要由永磁体、导磁体和不锈钢套管构成,永磁体采用轴向充磁方式。动子部分由三相电枢绕组、绕组骨架以及机壳构成。绕组采用空心饼式线圈形式,它直接绕制在骨架槽内,槽满率高,无端部,铜材利用率高,铜耗小,电机节能效果更好。圆筒型永磁直线同步电机拓扑结构如图3所示。

该电机通过无槽空心式线圈结构、永磁体的合理排列以及整体优化设计使该电机具有以下特点:

1) 结构简单,制造方便,可靠性高,易维护,节省材料,成本低。
2) 电机速度可调,调速范围宽,可控性好。
3) 输出推力平稳,推力与交轴电流成正比,线性度高,可控性好。
4) 动子惯量小,动态响应快。
5) 不产生径向推力,运行摩擦力小,系统效率高。
6) 电机外壳集成散热片,在正常运行环境与运行状态下,可以实现自然冷却。
7) 集成位置检测器,用户使用更加方便,成本大大降低。

* 实施与应用效果 *

DDR1的实施与应用效果

目前油田中所使用的抽油机绝大部分是传统的游梁式抽油机(俗称“磕头机”, 图4)。这种抽油机由普通旋转电机(异步电动机或同步电动机)驱动,经多级减速箱并经连杆和游梁作每分钟6-10次的往复运动。由于传统的游梁式抽油机机械结构复杂,电机驱动需经多级减速箱和连杆机构输出,使得抽油机的效率很低,一般系统整体效率只有30%-40%左右。传统的游梁式抽油机,能耗大、难维修,已经不能很好适应油井需要。全国油田,传统抽油机一年的耗电费用就是几百亿KW.h。因此研制开发高效节能的新型油田抽油机对于节能降耗具有非常重要的意义。

为从根本上解决抽油机系统效率低下的问题,需开发一种新型高效节能电机,使电机可以在低速情况下输出大扭矩直接驱动抽油泵进行工作,从而实现电动机对抽油泵的直接驱动模式(直驱式抽油机系统)。如果采用了直接驱动结构方式,可取消传统抽油机的多级中间传动机构,不仅可省去庞大的游梁、驴头和复杂齿轮减速箱,使得结构大为简化,体积大大减小,特别是整机效率可大大提高。达到有效节能的目的。

直驱式抽油机系统的主要核心是低速大力矩电机的研制开发。目前国内外低速大力矩电机均采用永磁同步电机结构。永磁电机与传统的电励磁同步电机相比,省去了电励磁绕组,实现了无刷化,具有结构简单、运行可靠;体积小、重量轻;损耗少、效率高。但目前一些低速大力矩电机仅满足了部分使用场合的要求,在大多数使用场合下,电机速度仍需通过减速箱降到所需速度输出,电机有效面积不能充分利用,满足不了用户低速大力矩的要求。直驱复合式三维永磁电机完全改变了现有传统电机的结构,充分利用了电机的三维空间,具有高功率密度的输出特性,更符合电机机电能量变换的要求和低速大力矩驱动要求,可以在低速情况下直接驱动负载。满足了用户低速大力矩的要求。

整机效率大大提高直驱复式三维永磁电机抽油机已在中原油田、大港油田、大庆油田、华北油田等几十口井上得到了应用,并通过了投产试验,抽油机性能测试由中原油田分公司技术检测中心、大港油田集团检测评价中心、中国石油天然气集团公司油田节能监测中心、国家油气田井口设备质量监督检验中心等通过对油田油井上使用的原游梁式抽油机和新型复式三维永磁电机抽油机的对比检测,有功节电均达50%以上,无功节电可高达90%以上。 直驱复式三维永磁电机驱动的抽油机除节电显著以外,还使抽油机重量和占地面积减少50%以上,产量提高50%以上。用电设备容量减少50%以上,噪音减少30分贝。表1为中原油田复式永磁电机抽油机与游梁式抽油机在H2-40井上的耗电量对比。

该电机如进一步应用于现有抽油机的改造以及展开应用于化工、医药、食品以及机械等行业。其效益将会更大。

DDL的实施与应用效果

1.(DDL1)的实施与应用效果
邮政输送用邮政推挂系统,通常采用旋转电机加链轮、皮带等中间转换机构来实现,系统结构复杂,噪音大,效率低。整个推挂线由一个功率较大的电机拖动,动力集中,运行时不管负载多少整个物流线都一起拖动,因此在轻载时系统效率很低。在组线灵活性方面如增加或减少输送线的长度也存在欠缺,其运行效率已远不能满足现代输送要求,噪音也大大超标。要解决这个问题,必须去掉链轮、皮带等中间传动环节,提高系统效率节约能量,最好的办法就是采用直线直驱技术。采用大量的小功率直线电机来驱动负载,采用分段通电,动力分散安排,实现负载到哪电通到哪的方法。从而达到高效节能的目的。广州邮件处理中心花巨资从瑞士GILGEN 公司购买了直驱式邮政悬挂输送系统(如图5所示)该系统主要部件是直驱直线电机单元,一个基本单元是一个直线电机加一个智能控制卡构成,结构统一,维修简单。沿线1897 个单元将悬挂于路轨上的小车向前推进,使小车携带包裹到达其目的地。在该项技术中,直驱直线电机是整个悬挂输送系统的关键部分,其数目众多,性能与成本是悬挂输送系统开发的重要影响因素。

目前从国外引进的这种悬挂输送系统,价格昂贵,我国不可能大量地引进此种设备,自主研究开发这种悬挂输送系统非常必要,因此首先需要攻克悬挂输送系统的关键部分-直驱直线电机,为我国自主研发悬挂输送系统提供重要的基础,也可以大大降低现有国外引进悬挂输送系统的维修成本。

本项目所开发的电机的性能已达到、部分指标超过了国外同类产品。如表2

随着国内邮政输送要求的提高,直线电机直驱的邮政悬挂输送系统将有很好的应用前景。如果国内自主开发直驱式邮政悬挂输送系统,将大大降低系统成本,提高产品的竞争力。每条输送系统需要几千个这样的电机,其价格与性能对输送系统的性能至关重要,因此可以说输送系统研究的关键技术之一就是深槽单相直线感应电机的研制。 本电机主要针对邮政输送系统开发,但该输送系统可以推广至机械、食品、医药、民用等行业,具有广阔的应用前景。若以一年生产20 条输送系统,即使价格仅为国外的一半其产值也可达2亿元以上,且其节电按每天8小时80KW.h,则年生产20 条输送系统的节电可达50万KW.h。

2. (DDL2)的实施与应用效果

传统的食品切片机和电梯门机设备,其驱动电机均采用旋转电机,通过变速箱、皮带轮组、连杆等转换机构,将电机的旋转运动转换为负载的直线运动。传统结构的食品切片机和电梯门机具有结构复杂、造价高、故障率高、维护成本高、系统效率低、响应慢、噪音大、有油污等缺点。为克服原有设备的缺点,我们采用圆筒型永磁直线同步电机作为驱动电机,取消了转换机构,电机与负载之间刚性连接,这种直驱式食品切片机和电梯门机整体结构大大简化,性能显著提高。图5为直线电机作为直驱的电梯门机。

目前国内自行设计制造的食品切片机与电梯门机所用直驱式圆筒型永磁直线电机的产品几乎没有,国外生产同类产品的公司主要有Copley 公司。表3则对国产电机与Copley 电机的性能进行了比较。

通过比较,国产电机的推力常数和反电势常数都要高于Copley 公司的产品。相应地,在相同工况下,国产电机的电流要小于Copley 电机,功率和效率也均高于Copley 电机。尤其是在工况3 下,Copley 电机的电流超过其额定电流,导致温升过高,只能持续运行2 小时,而浙大电机电流较小,仍然可以无限制持续运行。

与国外电机相比,国产电机性能更好,且价格仅为国外产品的1/4 左右,无疑国产电机将具有更强的市场竞争力。食品切片机已由美国ITW 公司于2008 年批量生产。

本文来源:干货 | 直驱电机:DDR和DDL的工作原理

点击这里,获取更多电机控制设计信息

围观 4
384

作者:电子创新网 张国斌

1967年4月,一本关于模拟设计的企业杂志《模拟对话》横空出世了!这本由工程师撰写给工程师看的杂志旨在帮助更多人解决模拟设计上的难题,一晃50年过去了,它堪称是出版发行最久的企业杂志。这本企业杂志帮助了千千万万的设计工程师。

在《模拟对话》迎来50岁生日之际我在朋友圈发了一个消息,结果引发了很多讨论,很多本土IC或者模拟设计领域的大牛都盛赞这本杂志,肯定它在工作、学习上带来的帮助。

能坚持50年就做一件事情,还是免费给大家看,这是做公益还是做商业?

最近我看过一个视频,阿里巴巴创始人马云在一次访谈中提到“做企业要用公益的心态,商业的手法,心态影响形态,形态影响生态。”有兴趣的可以看看下面的视频。马云也提到我们很多企业用“公益的手法商业的心态”是不对的,不过这确实是很多本土公司的现状,只想去索取不想去奉献,山寨其他厂家的产品不说,还对人家进行诋毁和中伤,这样的企业能走的远吗?

我看ADI做《模拟对话》就是公益的心态,商业的手法,一本杂志做了50年,光编辑内容、印刷和邮寄都要很多成本的。但如马云所说,有了好的心态,自然可以构建好的生态,所以心态是第一位的。

ADI公司的两位联合创始人都是来自麻省理工学院的学生,其中Ray Stata我采访过几次,他是非常nice的人,总会从他人角度考虑问题,一次在深圳大学ADI模拟设计大赛颁奖现场,他弯下腰让获奖学生勾住他脖子合影给我留下深刻印象。正是在他的坚持下,这本杂志才能数十年来历经预算削减和重心转移而屹立不倒,仅在过去三个月,就有24万名《模拟对话》网站访问者点击下载杂志和文章9万多次。

你知道吗?在第一期《模拟对话》中,他还亲自撰写了《用户指南:运算放大 器规格参数的应用和测量》,建立了有关运算放大器规格的测试标准,他的这篇文章也荣登50年来《模拟对话》最佳文章之列。

50年来,《模拟对话》发表了非常多精彩实用技术文章,如以下几篇文章都堪称经典。

在过去50年中,ADI公司三次重塑自己:从模块转向IC技术;从小批量工业和军用市场转向大批量通信和消费市场;从器件转向系统级IC。公司不断扩大其产品范围,从运算放大器到转换器、RF、DSP、传感器、电源管理,为模拟和数字信号处理产品及系统提供更加完整的解决方案。而《模拟对话》的口号和内容也记录了公司的发展历程。1967年首期的口号是“运算放大器技术交流杂志”,反映了最初的关注焦点是运算放大器。但到1969年,随着公司开始多元化经营,进入转换器产品和其他模拟功能电路领域,杂志口号也变为“模拟电路技术交流杂志”。1971年,《模拟对话》成为“电路技术交流论坛:模拟、数字、单芯片、分立式元件”。ADI公司此时已进入IC业务,开发出单芯片IC转换器的模拟和数字混合工艺技术.....

2016年,杂志再次发生重大变动以呼应ADI公司“超越一切可能”的新品牌形象和使命,口号变为“获取工学新动态,激发设计新思路!”。新口号表明《模拟对话》成为客户追求多层次创新的有力工具。

在半导体领域,ADI公司堪称常青树,不但保持了稳定成长,更能在风云变化的产业中及时调整自己,适应变革。ADI为何长盛不衰,一个原因就是马云提到的“公益的心态,商业的手段”,正是不断给产业提供类似公益的设计支持,提供免费的服务才赢得了更多客户和市场。

我们都可以看到很多国外半导体公司多年来深耕大学计划,提供免费的样片和开发板帮助很多本土工科大学生提升设计能力,如ADI、TI、赛灵思等等,在提升本土工科教学方面不遗余力,以公益心态来做技术传播。

这些做法很值得本土公司借鉴,我认为很多本土公司只是占据了地利的优势,有天然的语言和成本优势,如果不能调整心态,未来就难以构件上属于自己的生态系统,必定难有长远发展。

现在,物联网大市场已经在开启,ADI也已经做好了布局,详见《新英格兰农场主为什么能种出又大又好吃的番茄?来看看模拟巨头ADI如何做物联网的?》《模拟对话》这本杂志也开始分享物联网设计经验,让更多本土物联网业者受益,这里我祝愿《模拟对话》在物联网时代帮助更多人和公司!这是最新一期《模拟对话》50年特刊内容。

围观 13
1002

简介

高分辨率数模转换器(DAC)的常见用途之一是提供可控精密电压。分辨率高达20位、精度达1 ppm且具有合理速率的DAC的应用范围包括医疗MRI系统中的梯度线圈控制、测试和计量中的精密直流源、质谱测定和气谱分析中的精密定点和位置控制以及科学应用中的光束检测。

随着时间的推移,半导体处理和片内校准技术的发展,关于精密集成电路DAC的定义也不断变化。高精度12 位DAC一度被认为遥不可及;近年来,16 位精度已日益在精密医学、仪器仪表、测试和计量应用中得到广泛运用;在未来,控制系统和仪器仪表系统甚至需要更高的分辨率和精度。

高精密应用目前要求18/20位、1 ppm精度数模转换器,以前只有笨重、昂贵、慢速的Kelvin-Varley分压器才能达到这一性能水平—属于标准实验室的专利,几乎不适用于现实仪器仪表系统。针对这类要求且采用IC DAC组件,更便利的半导体1 ppm 精度解决方案已推出数年,但此类复杂系统需要使用多种器件,需要不断进行校准,还需十分谨慎才可取得理想精度,而且体积大、成本高(见附录)。长久以来,精密仪器仪表市场都需要一种更简单,具有成本优势,无需校准或持续监控,简单易用,而且提供保证性能规格的DAC。目前,从16 位和18 位单芯片转换器(如DAC)自然升级已成为可能。

AD5791 1 ppm DAC

半导体处理技术、DAC架构设计和快速片内校准技术的发展使稳定、建立时间短的高线性度数模转换器成为可能。这种转换器可提供高优于1 ppm的相对精度、0.05 ppm/°C温度漂移、0.1 ppm p-p噪声、优于1 ppm的长期稳定性和1MHz吞吐量。这类小型单芯片器件保证性能规格,无需校准且简单易用。AD5791及其配套基准电压源和输出缓冲的典型功能框图如图1所示。

AD5791典型工作框图

图1:AD5791典型工作框图。

AD5791是一款单芯片、20 位、电压输出数模转换器,具有额定的1 LSB(最低有效位)积分非线性度(INL)和微分非线性度(DNL),是业界首款单芯片1 ppm 精度的数模转换器(1 LSB@20位为220分之一 =1,048,576分之一 = 1 ppm)。该器件设计用于高精密仪器仪表以及测试和计量系统,与其他解决方案相比,其整体性能有较大提升,具有更高的精度、体积更小、成本更低,使以前不具经济可行性的仪器仪表应用成为可能。

其设计(如图2所示)采用精密电压模式R-2R架构,利用了最新的薄膜电阻匹配技术,并通过片内校准例程来实现1 ppm精度。由于AD5791采用工厂校准模式,因而运行时无需校准程序,其延迟不超过100 ns,可用于波形生成应用及快速控制环路。

DAC梯形结构

图2:DAC梯形结构。

AD5791不但提供出色的线性度,而且可具有9 nV/Hz噪声密度、0.1 Hz至10 Hz频带内0.6 μV峰峰值噪声、0.05 ppm/°C温度漂移,且其1000小时长期稳定性优于0.1 ppm。

作为一种高电压器件,采用双电源供电,最高±16.5 V。输出电压范围由正负基准电压VREFP 和VREFN决定,提供了灵活的输出范围选择。

AD5791 所用精密架构要求使用高性能外置放大器来缓冲来自3.4 kΩ DAC电阻的基准源,为基准输入引脚的加载感应提供方便,以确保AD5791的1 ppm线性度。AD5791需要一个输出缓冲来驱动负载,以减轻3.4 kΩ输出阻抗的负担——除非驱动的是一个极高阻抗、低电容负载——或者衰减处于容限之内并可预测。

由于放大器为外置型,可根据噪声、温度漂移和速度的优化需要进行选择——并可调整比例因子——具体视应用需要而定。对于基准缓冲,建议采用AD8676 双通道放大器,其具有低噪声、低失调误差、低失调误差漂移和低输入偏置电流的特点。基准缓冲的输入偏置电流特性非常重要,因为过大的偏置电流会降低直流线性度。积分非线性度的降低(单位:ppm)为输入偏置电流的函数,一般表示为:

其中,IBIAS 单位为 nA; VREFP 和 VREFN 的单位均为伏特。例如,对于±10 V的基准输入范围,100 nA的输入偏置电流将使INL提高0.05 ppm。

输出缓冲的主要要求与基准缓冲相似——唯一例外是偏置电流,因为它不影响AD5791的线性度。但失调电压和输入偏置电流可能会影响到输出失调电压。为了维持直流精度,建议将AD8675 用作输出缓冲。高吞吐量应用要求使用较高压摆率的快速输出缓冲放大器。

表1 列出了少数适用精密放大器的关键技术规格。

AD5791具有设计时间更短、设计风险更小、成本更低、电路板尺寸更小、可靠性更高和保证性能规格的特点。

图3是一种电路示意图,其中以AD5791 (U1)作为精密数控1 ppm电压源,电压范围为±10V,增量为20 μV;以AD8676 (U2)作为基准缓冲;以AD8675 (U3)作为输出缓冲。绝对精度取决于外置10 V基准电压源的选择。

采用AD5791数模转换器的1 ppm精度系统

图3:采用AD5791数模转换器的1 ppm精度系统。

性能测量

该电路的重要指标是积分非线性度、微分非线性度和0.1 Hz至10 Hz峰峰值噪声。图4显示,典型INL处于±0.6 LSB之内。

积分非线性度坐标图

图4:积分非线性度坐标图。

图5所示典型DNL为±0.5 LSB;在整个位跃迁范围内,输出均可保证单调性。

微分非线性度坐标图

图5:微分非线性度坐标图。

0.1 Hz至10 Hz带宽内的峰峰值噪声约为700 nV,如图6所示。

低频噪声

图6:低频噪声。

AD5791仅仅是个开始:

1 ppm电路的复杂性

尽管AD5791一类的精密次 1 ppm元件已上市,但构建1 ppm系统并非易事,不能草率对待。必须全面考虑在这个精度级别出现的误差源。1 ppm 精度电路中的主要误差源为噪声、温度漂移、热电电压和物理应力。应遵循精密电路的构建技术,以尽量降低此类误差在整个电路中的耦合和传播效应,避免产生外部干扰。下面将简要总结这些考虑因素。更多详情请参阅参考文献。

噪声

工作于1 ppm分辨率和精度时,必须将噪声降至最低水平。AD5791的噪声频谱密度为9 nV/Hz,主要源于3.4 kΩ DAC电阻的约翰逊噪声。为了尽量避免增加系统噪声,必须将所有外设的噪声贡献降至最低。电阻值应低于DAC电阻,以确保其约翰逊噪声贡献不会大幅提高方和根总体噪声水平。AD8676基准缓冲和AD8675输出缓冲额定噪声密度为2.8 nV/Hz,远远低于DAC的噪声贡献。

通过简单的R-C滤波器,即可相对简单地消除高频噪声,但0.1 Hz至10 Hz范围内的1/f噪声却很难在不影响直流精度的情况下滤除。降低1/f噪声最有效的方法是避免其进入电路之中。AD5791在0.1 Hz至10 Hz带宽下产生约0.6 μV峰峰值噪声,远低于1 LSB(输出范围为±10 V时,1 LSB = 19 μV)。在整个电路中,1/f最大噪声的目标值应为0.1 LSB或2 μV左右,通过选择合适的元件即可达到此目标。电路中的放大器产生0.1 μV峰峰值1/f噪声; 信号链中的三个放大器在电路输出端共产生约0.2 μV峰峰值噪声。加上来自AD5791的0.6 μV峰峰值噪声,预计总1/f噪声约为0.8 μV峰峰值, 该值与图5所示测量值紧密相关。这为可能增加的其他电路(如放大器、电阻和基准电压源)等留出了充足的余量。

除随机噪声以外,还须避免由辐射、传导和感应电干扰导致的误差。必须采用屏蔽、防护、谨慎接地、正确的印刷电路板布线等技术。

温度漂移

与所有精密电路一样,所有元件的温度漂移是主要误差源之一。减少漂移的关键是选择次 1 ppm温度系数的重要元件。AD5791具有极低的温度系数,为0.05 ppm/°C。AD8676基准缓冲的漂移系数为0.6 μV/°C,总共会向电路中增0.03 ppm/°C的增益漂移;AD8675输出缓冲会再贡献0.03 ppm/°C的输出漂移;相加后为0.11 ppm/°C。缩放和增益电路中应使用低漂移、热匹配电阻网络。建议使用Vishay体金属薄膜分压器电阻系列300144Z和300145,其电阻跟踪温度系数为0.1 ppm/°C。

热电电压

热电电压是Seebeck效应造成的结果:相异金属结处产生与温度有关的电压。根据结处的金属元件,结果产生的电压位于0.2 μV/°C至1 mV/°C之间。最好的情况是铜铜结,产生的热电EMF不到0.2 μV/°C。在最糟糕的情况下,铜铜氧化物结可产生最大1 mV/°C的热电电压。对小幅温度波动的这种灵敏度意味着,附近的耗能元件或跨越印刷电路板(PCB)的低速气流可能产生不同的温度梯度,结果产生不同的热电电压,而这种电压又表现为与低频1/f 噪声相似的低频漂移。可通过消除系统中的相异结和/或消除热梯度来避免热电电压。虽然消除相异金属结几乎不可能——IC封装、PCB电路、布线和连接器中存在多种不同的金属——但使所有连接均保持整洁,消除氧化物,这种方法可以有效地减少热电电压。屏蔽电路使其不受气流影响,是一种有效的热电电压稳定方法,而且具有电屏蔽的增值作用。图7展示了开放式电路与封闭式电路在电压漂移上的差异。

图7:开放式系统和封闭式系统的电压漂移与时间关系。

为了消除热电电压,可在电路中增加补偿结,但必须进行大量的试验和重复测试,以确保插入结配对正确、位置无误。截至目前,最高效的方法是减少信号路径中的元件数,稳定局部温度和环境温度,从而减少电路中的结。

物理应力

高精模拟半导体器件对其封装承受的应力非常敏感。封装中的应力消除填充物具有一定的作用,但无法补偿因PCB变形等局部应力源在封装上直接产生的压力带来的较大应力。印刷电路板越大,封装可能承受的应力越大,因此即使在小型电路板上也应安装敏感电路——通过柔性或非刚性连接器与大系统相连。如果必须使用较大电路板,则应在敏感元件周围,在元件两面或(最好)三面割些应力消除切口,可极大地减少因电路板弯曲给元件带来的应力。

长期稳定性

在考虑噪声和温度漂移的基础上,还需考虑长期稳定性。精密模拟IC虽然非常稳定,但确实会发生长期老化变化。AD5791在125°C的长期稳定性一般好于0.1 ppm/1000 小时。虽然老化不具累积性质,但遵循平方根规则(若某个器件的老化速度为1 ppm/1000 小时,为2 ppm/2000 小时,为3 ppm/3000 小时等等)。一般地,温度每降低25°C,时间就会延长10倍;因此,当工作温度为85°C时,在10000小时的期间(约60星期),预计老化为0.1 ppm。以此外推,在10年期间,预计老化为0.32 ppm。即是说,当工作温度为85°C时,在10年期间,数据手册直流规格可能漂移0.32 ppm。

电路构建和布局

在注重精度的电路中,精心考虑电源和接地回路布局有助于确保达到额定性能。在设计PCB时,应采用模拟部分与数字部分相分离的设计,并限制在电路板的不同区域内。如果DAC所在系统中有多个器件要求模数接地连接,则只能在一个点上进行连接。星形接地点尽可能靠近该器件。必须采用足够大的10 μF电源旁路电容,与每个电源引脚上的0.1 μF电容并联,并且尽可能靠近封装,最好是正对着该器件。10 μF电容应为钽珠型电容。0.1 μF电容必须具有低有效串联电阻(ESR)和低有效串联电感(ESL),如高频时提供低阻抗接地路径的普通多层陶瓷型电容,以便处理内部逻辑开关所引起的瞬态电流。各电源线路上若串联一个铁氧体磁珠,则可进一步防止高频噪声通过器件。

电源走线必须尽可能宽,以提供低阻抗路径,并减小电源线路上的毛刺效应。利用数字地将快速开关信号(如时钟)屏蔽起来,以避免向电路板上的其他器件辐射噪声,并且不得靠近基准输入,也不得置于封装之下。基准输入上的噪声必须降至最低,因为这种噪声会被耦合至DAC输出。避免数字信号与模拟信号交叉,电路板相反两侧上的走线应彼此垂直,以减小电路板的馈通效应。

基准电压源

维持整个电路性能的是外部基准电压源,其噪声和温度系数直接影响系统的绝对精度。为了充分发挥1 ppm AD5791数模转换器的性能,基准元件和关联元件应具有与DAC不相上下的温度漂移和噪声规格。虽然离温度漂移为0.05 ppm/°C的基准电压源仍相去甚远,但0.1 Hz 至10 Hz范围噪声低于1 μV p-p的1 ppm/°C和2 ppm/°C基准电压源确实存在。

结论

随着精密仪器仪表以及测试和计量应用对精度的要求不断提高,人们正在开发精度更高的元件,以满足这些需求。此类器件具有1 ppm级精度规格,用户无需进一步校准,而且简单易用。然而,在设计这一精度级别的电路时,必须考虑多种现实环境因素和设计相关因素。精密电路性能的成功与否取决于对这些因素的考虑和理解是否到位,取决于选择正确的元件。

参考电路

(有关全部ADI元件的详细信息,请访问 www.analog.com .)

"The Long Term Stability of Precision Analog ICs, or How to Age Gracefully and Avoid Sudden Death." Analog Devices. Rarely Asked Questions.
http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/2016/03/09/14/49/raq-issue....
Low Level Measurements Handbook. 6th Edition. Keithley. 2004.
http://www.tek.com/document/primer/low-level-measurements-handbook-preci....
MT-031, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND."
http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-031.pdf.
附录

图8所示为一种典型的现代1 ppm DAC解决方案的功能框图。电路核心由两个16 位数模转换器构成——一个主DAC和一个辅助DAC——其输出经缩放和组合后产生更高的分辨率。主DAC输出与经衰减的辅助DAC输出相加,使辅助DAC填补主DAC LSB步长之间的分辨率间隙。

分立1 ppm DAC解决方案

图8. 分立1 ppm DAC解决方案。

组合后的DAC输出需要为单调性,但线性度无需极高,因为高性能是通过精密模数转换器的恒定电压反馈取得的,该转换器校正固有的元件误差;电路精度受ADC的限制而不受限于DAC。然而,由于恒定电压反馈的要求以及不可避免的环路延迟,这种解决方案速度较慢,建立时间达数秒。

尽管这种电路能够并且经努力可以取得1 ppm的精度,但设计难度较大,很可能需要重复设计多次,而且需要通过软件引擎和精密ADC来实现目标精度。为了保证1 ppm的精度,ADC还需进行校准,因为目前市场上还没有保证1 ppm线性度的ADC。图8所示简图只是概念的展示,真实的电路要复杂得多,涉及多个增益、衰减和求和级,包括多个元件。同时还需要复杂的数字电路,以方便DAC与ADC之间的接口,更不用说用于误差校正的软件了。

作者:Maurice Egan

Maurice Egan is an applications engineer with the Precision Converters Product Technology Group based in Limerick. Maurice joined Analog Devices in 1998 and holds a BEng in electronic engineering from the University of Limerick, Ireland.

点击这里,获取更多电机控制设计信息

围观 8
961

页面

订阅 RSS - ADI