高温应用下信号采集电路设计范文

引言：

随着人类需求和探索领域的逐步扩张，工程师需要研发出能够在极端高温等恶劣环境下可靠工作的电子设备，比如在油气开采行业。虽然这些行业的最终应用不尽相同，但对信号调理需求却是共同的。这些系统的主要部分要求对多个传感器进行精确数据采集，或者要求高采样速率。除此之外，诸多这样的应用很可能有严格的功率预算，因为它们采用电池供电，或者无法耐受自身电子元件发热导致的额外升温。因此，需要用到可以在一定高温范围内保持高精度，并且可以灵活适用于诸多场景的低功耗信号采集模块。

1.整体电路设计

该设计在室温至190°C温度范围内提供一个完整的数据采集电路构建模块，可获取模拟传感器输入、对其进行调理，并将其特征化为串行数据流。电路使用低功耗（600kSPS时为4.65mW）、耐高温ADC（ADS8320）实现模数转换。ADS8320－HT是TI公司一款16位高速、低功耗ADC,其工作电压范围为2.7V到5V。该ADC的功耗与采样速率成线性比例关系，在5V供电100K的采样速率下典型功耗4.5mW。8引脚的陶瓷封装可以适用于210°C的高温场景。考虑整个信号链的能量传输情况，如果信号源阻抗过高会使电路性能显著降低，尤其是总谐波失真(THD)。因此，ADS8320的输入适合直接从低阻抗信号源驱动，在此采用耐高温、低功耗运算放大器OPA211-HT作为ADC驱动。运算放大器OPA211-HT是一款单位增益稳定运算放大器，其出色的直流和交流特性对传感器信号调理非常有利，满足做缓冲的必要条件。在采集时间开始时，开关闭合，容性DAC在ADC输入端注入一个电压毛刺（反冲）。ADC驱动器帮助此反冲稳定下来，并将其与信号源相隔离；同时，在ADC驱动器与ADS8320之间的RC滤波器衰减ADS8320输入端注入的反冲，并进一步限制进入此输入端的噪声带宽。考虑到输入信号要求从正供电轨到负供电轨具有300mV裕量。这就使得负电源成为必要，所选负电源为–2.5V。OPA211-HT提供额定温度为175°C的8引脚SOIC封装和额定温度为210°C的8引脚陶瓷封。ADS8320通过两线的同步串行接口送出数据。像其他SAR型ADC一样，ADS8320对来自电源、参考电压端等源头的尖脉冲非常敏感。

如果这些毛刺与转换器的时钟信号（DCLOCK）同步，这些特定的误差源是很难被追踪的，从而会导致零星的误操作。基于这种考虑0.1微法的陶瓷电容作为电源去耦是非常必要的，同时10微法的电容器和十欧姆的电阻构成的低通滤除电源的噪声。参考电压的性能是ADC精度保证的重要因素，电路的参考电压采用基准电压源REF5025-HT提供2.5V的基准电压为电路提供参考电压，该芯片同样通过了高温认证，8引脚的陶瓷封装为210°C高温应用提供可能。REF5025-HT基准电压源在时210°C仅消耗最大60µA的静态电流，并具有典型值40ppm/°C的超低漂移特性，因而非常适合用于该低功耗数据采集电路。该器件的初始精度为±0.4%，可在3.3V至16V的宽电源范围内工作。由于ADC的参考电压输入具有动态输入阻抗，需要采用用低阻抗源驱动，OPA211-HT同样适合用作基准电压缓冲器。使用基准电压缓冲器的另一个好处是，基准电压输出端噪声可通过增加一个低通RC滤波器来进一步降低，从而保证进入ADC的参考电压干净。由于ads8320参考电压输入端内部没有噪声抑制电路,任何噪声和电源纹波都会直接出现在数字信号的输出结果。尤其是当参考电压与电源直接连接的时候，应该特别重视。虽然高频噪声可以通过前述方法在REF引脚与GND之间有效去耦来祛除，但是50赫兹或60赫兹的线路频率引起的电压变化是比较难以去除的。在该电路中，49.9Ω电阻和47μF电容提供大约60Hz的低通滤波为参考电压的干净提供保证。在ADC转换期间，ADS8320基准电压输入端可能出现高达mA级别的电流尖峰。在尽可能靠近基准电压输入端的地方放置一个低ESR、47μF钽电容C9，以便使该电流对基准电压输入端噪声保持较低水平。在高温应用场景下，需要考虑塑封材料的玻璃转化温度，本设计使用175°C以上的薄膜型低TCR电阻。COG/NPO电容容值较低常用于滤波器和去耦应用，其温度系数非常平坦。耐高温钽电容有比陶瓷电容更大的容值，用于电源滤波。

2.PCB设计制作

模拟信号和数字接口位于ADC的相对两侧。ADC的所有数字信号位于右侧，所有模拟信号位于左侧，在ADS8320之下或模拟信号路径附近不走数字信号。采用这种方式可以最大程度地降低耦合到ADC芯片和辅助模拟信号链中的噪声。基准电压输入REF具有动态输入阻抗，去耦部分应当用极小的寄生电感去耦，为此须将基准电压去耦电容放在尽量靠近REF和GND引脚的地方；同理，电源电压去耦电容放在尽量靠近VCC和GND引脚的地方并用低阻抗的宽走线（1.5mm）连接这些引脚。同时，将所有元器件全都放在正面，以方便从底面加热测试。针对高温电路，PCB装配使用聚酰亚胺材料，其典型玻璃转化温度大于240°C。此外，应当使用高熔点焊料，熔点与系统最高工作温度之间应有合适的裕量。本装配选择SAC305无铅焊料，其熔点为217°C，相对于175°C的最高工作温度有42°C的裕量。

3.结论

针对高温场景下的信号检测需求，本文设计一款信号采集电路。核心采用能工作在高温环境下的ADC(ADS8320)，通过ADC驱动和基准电压缓冲设计，保证其转换的精度。采用低功耗器件的配置降低电路整体功耗，可以为高温下的信号检测提供参考。

作者：杨平 桂莲彬 张健 陈昌涛 单位：四川化工职业技术学院