簡介

在許多惡劣環(huán)境系統(tǒng)中，一個不斷增長的趨勢是高精密電子器件離高溫區(qū)域越來越近。這一趨勢背后有多個推動因素，在能源勘探、航空航天、汽車、重工業(yè)和其他終端應(yīng)用中都有體現(xiàn)。1例如，在能源勘探領(lǐng)域，環(huán)境溫度增幅為深度的函數(shù)，相關(guān)設(shè)備的典型工作溫度為175°C及以上。受尺寸和功率限制，有源冷卻不太實(shí)際，熱對流非常有限。在其他系統(tǒng)中，需要把傳感器和信號調(diào)理節(jié)點(diǎn)置于高溫區(qū)域附近，比如發(fā)動機(jī)、剎車系統(tǒng)或高功率能源轉(zhuǎn)換電子器件，以提高系統(tǒng)的整體可靠性或降低成本。

從歷史上來看，工程師要為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)出可靠的高性能電子器件是非常困難的事，因?yàn)槭袌錾先鄙僦圃焐虨檫@些工作條件生產(chǎn)指定的組件。幸運(yùn)的是，近年來出現(xiàn)了越來越多的(IC和無源)組件，制造商指定的工作溫度高達(dá)175°C及以上。另外，最近的參考設(shè)計(jì)也偏重于性能，將部分這些組件在信號鏈子系統(tǒng)中結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)精密數(shù)據(jù)采集，以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能更快地采用相關(guān)技術(shù)(如CN-0365)，并幫助他們降低設(shè)計(jì)風(fēng)險、縮短上市時間。但在此之前，在高溫精密數(shù)據(jù)采集方面，距離特性良好、廣泛可用的全功能平臺還存在一些差距。

在本文中，我們將介紹一種新型高溫精密數(shù)據(jù)采集與處理平臺，其工作溫度高達(dá)200°C。該平臺包括一個高溫電路組件，以及一個數(shù)據(jù)采集前端和微控制器、優(yōu)化的固件、數(shù)據(jù)采集與分析軟件、源代碼、設(shè)計(jì)文件、材料清單和測試報告。該平臺適合參考設(shè)計(jì)、快速原型制作和高溫儀器儀表系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試。電路組件的尺寸和結(jié)構(gòu)均經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，可兼容石油天然氣儀器儀表的尺寸要求，但也可作為其他高溫應(yīng)用的基礎(chǔ)。

硬件架構(gòu)概述

油氣勘探中使用的儀器儀表(也稱為井下工具)與許多精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺類似，但對性能和可靠性有著具體的要求，可以作為本參考平臺的案例進(jìn)行研究。在該應(yīng)用中，系統(tǒng)來自各類傳感器的信號采樣，以收集與周圍地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的信息。這些傳感器可能是電極、線圈、壓電傳感器或其他傳感器。加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀可以提供有關(guān)鉆柱的傾角和轉(zhuǎn)速信息。這些傳感器中有一些的帶寬要求極低，其他傳感器則能提供音頻頻率范圍內(nèi)或以上的信息。需要使用多個采集通道，還必須在高溫(一般為175°C及以上)下維持高精度。另外，這些儀器儀表中很大一部分采用電池供電，或者可用電能有限，因此，必須具有低功耗和多個工作模式的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化。

在有關(guān)電子系統(tǒng)的要求以外，井下應(yīng)用還存在機(jī)械上的限制，可能決定著電子組件的尺寸，也可能會影響組件的封裝和選擇。對于后一個問題，我們將在后面各節(jié)里詳細(xì)討論，目前要注意的是，這一段的電路組件一般對電路板寬度有限制。必須將電子組件放在鉆探作業(yè)中使用的管狀壓力容器中，因此其長寬比具有狹長的特點(diǎn)。這種形狀上的特點(diǎn)限制了可用組件的尺寸和密度，也可能限制組件布局和信號路由的分割方式，結(jié)果可能對高精度電子器件的性能造成影響，因此，要特別注意布局和其他封裝設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。圖2所示為一種典型尺寸、裝在一個管狀壓力容器里的電路組件(透明，頂部)，裝上電路板后管狀壓力容器的橫截面(底部)。本文討論的可靠參考設(shè)計(jì)平臺基于CN-0365模擬前端參考設(shè)計(jì)，其目的是為基于高溫低功耗微控制器的精密數(shù)據(jù)采集和控制解決方案奠定基礎(chǔ)，使其符合眾多井下儀器儀表和其他高溫電子器件的要求。基于AD7981模數(shù)SAR轉(zhuǎn)換器，該參考設(shè)計(jì)展現(xiàn)了一種全功能的系統(tǒng)，帶2個高速同步采樣通道和8個額外的多路復(fù)用通道，可滿足廣泛的井下工具的數(shù)據(jù)采集需求(共10個通道)。該模擬前端通過SPI端口接入來自聯(lián)盟合作伙伴Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM? Cortex?-M0。該設(shè)計(jì)是不斷壯大的ADI高溫應(yīng)用產(chǎn)品和解決方案生態(tài)系統(tǒng)里的最新成員。

圖1. 高溫參考平臺。

采集后，可以在本地處理數(shù)據(jù)，也可通過UART或可選的RS-485通信接口傳輸出去。電路板上的其他配套組件(包括內(nèi)存、時鐘、電源和無源器件)均為各自供應(yīng)商指定的、支持高工作溫度的器件，經(jīng)驗(yàn)證，這些組件能在200°C或以上的溫度下可靠地工作。圖1和圖2所示為該高溫參考平臺的實(shí)際電路板圖和高層次功能框圖。圖2所示電路板展示的是井下電路板布局和尺寸，約長11.4英寸、寬1.1英寸。

圖2. 井下電子組件尺寸。

CN-0365應(yīng)用筆記中全面地介紹了該平臺精密數(shù)據(jù)采集通道的設(shè)計(jì)問題。該設(shè)計(jì)是這個平臺上的三個ADC輸入的基礎(chǔ)，不過，為了滿足電路板尺寸要求，使平臺能在最高200°C的溫度下可靠地工作，主要在無源元件選擇方面進(jìn)行了一些調(diào)整和優(yōu)化。參考采集通道電路如圖4所示。有2個能在高采樣速率下工作的數(shù)字多路復(fù)用通道，每一個都含有一個完整的數(shù)據(jù)采集通道(與CN-0365類似)。還有一個模擬多路復(fù)用通道，其在輸入之前添加了一個ADG798多路復(fù)用器，并針對低吞吐量輸入進(jìn)行了優(yōu)化。R1和R3為U1的同相輸入提供1.25 V偏置電壓，防止其在斷開時或者取消選擇多路復(fù)用器時，浮動至模擬輸入的供電軌。可以更改R8和R9，以提高U1的增益。R4、R7和C1是抗混疊濾波器，但也可以將它們重新配置為衰減器或交替濾波器配置。R5、R6和C4構(gòu)成ADC驅(qū)動器與ADC輸入之間的RC濾波器，該濾波器的作用是限制到達(dá)ADC輸入的帶外噪聲量，并衰減來自ADC輸入開關(guān)電容的反沖電壓。

圖3. 高溫參考平臺功能框圖。

設(shè)計(jì)該平臺就是為了利用AD7981 ADC的多個關(guān)鍵特性。這款16位、600 kSPS轉(zhuǎn)換器能提高超過85 dB的典型SINAD以及±0.6 LSB的典型INL，其中，基準(zhǔn)電壓源為2.5V且無丟碼。采用5 V基準(zhǔn)電壓源時，可以實(shí)現(xiàn)90 dB以上的SINAD，但在本平臺中，為了維持與較低電壓系統(tǒng)的兼容性，我們沒有選擇這一規(guī)格。由于ADC內(nèi)核在轉(zhuǎn)換周期之間會自動進(jìn)入省電狀態(tài)，因此，ADC的功耗會隨吞吐量自動線性變化。在使用低采樣速率的轉(zhuǎn)換器時，這樣做可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

圖4. ADC驅(qū)動器配置。

軟件概述

固件

平臺的固件基于FreeRTOS操作系統(tǒng)制成，可以方便地集成任務(wù)，如數(shù)據(jù)處理和其他通信。我們對代碼進(jìn)行了優(yōu)化，以便非多路復(fù)用通道0和1能高效地完成快速ADC轉(zhuǎn)換，多路復(fù)用通道2到9的轉(zhuǎn)換耗時低至10 μs。轉(zhuǎn)換結(jié)果可以在本地處理，也可以2 Mbps的速率從UART通道中傳輸出去。轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖器的大小為16 kB(8k次采樣結(jié)果)，既可在多個通道之間共享，也可專門供一個通道使用。該固件以開源格式提供，最終用戶可以對其進(jìn)行定制，還可將其作為最終應(yīng)用的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集與分析軟件

圖5所示為數(shù)據(jù)采集與分析軟件，基于.NET接口設(shè)計(jì)，電源組件通過一個USBUART-TTL電平轉(zhuǎn)換器。借助定義明確的協(xié)議，可以與硬件(包括控制和數(shù)據(jù)流)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)可以在突發(fā)模式下采集數(shù)據(jù)，也可連續(xù)采集。另外納入了數(shù)據(jù)分析功能，以在時域和頻域分析與驗(yàn)證SNR、THD和SINAD(如FFT)。也可將數(shù)據(jù)記錄到文件(如導(dǎo)出到Excel)，以便存儲起來或者在其他應(yīng)用中進(jìn)行處理。就如固件一樣，我們免費(fèi)提供了數(shù)據(jù)采集軟件的源代碼，最終用戶可以進(jìn)行定制。

圖5. 數(shù)據(jù)采集與分析軟件。

高溫構(gòu)造

本參考平臺采用適合在200°C條件下工作的組件和其他材料制成。平臺上使用的所有組件均為各自制造商指定的高溫工作組件(另有說明時除外)，并且全球經(jīng)銷商網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始大量供貨。全部BOM、PCB布局圖和裝配圖紙都隨參考設(shè)計(jì)包免費(fèi)提供。

電容

用C0G或NP0電介質(zhì)電容進(jìn)行小容值的濾波器和去耦。這些電介質(zhì)電容的溫度系數(shù)表現(xiàn)極其平坦，一般而言，其對屈曲應(yīng)力的耐受性更好。

為使RC濾波器具有高Q、低溫度系數(shù)，并且在變化電壓下具有穩(wěn)定的電氣特性，建議使用C0G或NP0型電容。我們用小尺寸0805或以上陶瓷器件減小了組件與PCB之間的CTE失配。出于大量存儲需要，我們選擇了高溫鉭電容，并在尺寸與ESR之間進(jìn)行了平衡。

電阻

設(shè)計(jì)主體部分采用薄膜SMT電阻(汽車級PATT系列)，市場上貨源充足。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，針對特定值和尺寸選擇了部分厚膜SMT電阻。

連接器

電路板連接著一個額定溫度為200°C的Micro-D，后者常用于高可靠性行業(yè)。為了減少信號串?dāng)_，我們對連接器外殼進(jìn)行了特別處理，將其接地至組件中的PCB。對于要求最高信號完整性和最低串?dāng)_的應(yīng)用，則要采用高溫專業(yè)連接器(或者無連接器)和同軸或屏蔽平衡輸入，以減少串?dāng)_。

PCB設(shè)計(jì)和布局

在井下應(yīng)用中宜選擇狹長形的PCB，因?yàn)檫@些應(yīng)用里的電路板必須符合鉆孔和耐壓殼限制要求。選擇的電路板材料是一種耐高溫?zé)o鹵聚酰亞胺。指定電路板厚度為0.093英寸而非0.062英寸的標(biāo)準(zhǔn)厚度，因?yàn)檫@樣可以增加剛度和平坦度。采用鎳金表面處理，其中鎳提供一個壁壘，可防止金屬間增生，金則為接頭焊接提供一個良好的表面。

對于選擇的0.093英寸電路板厚度，典型的四層堆疊中有一個約13密耳的銅隔離層和一個60密耳的大內(nèi)核。如果是六層結(jié)構(gòu)，則隔離層一般厚9.5密耳和28密耳。為此，我們采用了六層設(shè)計(jì)，這樣就可以在每個信號層設(shè)置一個接地層，從而改善噪聲性能。電源和數(shù)字通信信號饋入一個連接器，模擬信號則饋入反向連接器。這樣就可以在數(shù)字域與模擬域之間實(shí)現(xiàn)良好的隔離和信號流。地的分割設(shè)在電路板中間，電源濾波則設(shè)于分隔處附近。盡量減少與分隔層相交的數(shù)字控制線路，采用串聯(lián)端接以減少數(shù)字噪聲耦合。用銅網(wǎng)絡(luò)接線在一個點(diǎn)把數(shù)字和模擬接地層焊接起來，為驅(qū)動源提供一個低阻抗回路。

多路復(fù)用器控制信號與模擬部分長度相同，但其敷設(shè)路徑與關(guān)鍵模擬信號路徑隔開。在實(shí)踐中，這些多路復(fù)用控制線路會與采集數(shù)據(jù)測量同步改變，從而最大限度地減少了串?dāng)_效應(yīng)。焊接選擇Sn95/Sb05是為了在200°C的工作溫度下提供足夠高的熔點(diǎn)(>230°C)，同時還考慮了良好的操作性和裝配工廠的現(xiàn)有加工能力。

電路板安裝

我們在這塊電路板上提供安裝柱是出于方便考慮，其僅適用于基準(zhǔn)測試或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境，不適合強(qiáng)沖擊和強(qiáng)震動環(huán)境。如果要用于強(qiáng)沖擊和強(qiáng)震動環(huán)境，可以先用環(huán)氧樹脂把組件固定在電路板上。對于IDC接頭等脆弱組件，可以采用密封方式或者從裝配件中移除。在井下或其他惡劣環(huán)境中，典型安裝方式是采用導(dǎo)軌安裝系統(tǒng)，用柔性抗沖擊安裝墊圈把整個電路板固定起來。也可以把裝配件完全密封起來并裝入安裝硬件中，然后把安裝硬件固定到底盤或外殼上。有關(guān)相關(guān)器件的更多信息，請參閱《面向高溫電子應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案》一文。

性能測試結(jié)果

我們對多塊電路板進(jìn)行了廣泛的測試，以評估其在工作溫度范圍內(nèi)的典型性能；同時還在200°C環(huán)境溫度下浸泡了200小時，以便測定裝配工藝和電路板的可靠性。

交流和直流信號鏈性能是基于SAR ADC的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵精度指標(biāo)。當(dāng)ADC以600 kSPS的速率運(yùn)行并且工作溫度為200°C時，魯棒的比率式平臺的串?dāng)_性能可達(dá)–100 dB以上，最大失調(diào)漂移達(dá)±60 mV。對于交流測試，用一個1 kHz的低失真音作為輸入信號，并用+5 VDC/–2.5 VDC模擬電源為電路板供電。圖6所示為該信號音在400 kSPS下的FFT及頻譜分析計(jì)算結(jié)果。在200°C下，SNR優(yōu)于84 dB，THD達(dá)–96 dB。圖7所示為SNR和SINAD，圖8所示為采用同一輸入音時，非多路復(fù)用通道在工作溫度范圍內(nèi)的THD。

圖6. 200°C下的FFT及頻譜分析結(jié)果。

圖7. 工作溫度范圍內(nèi)的SNR和SINAD。

圖8. 工作溫度范圍內(nèi)的THD。

我們測量了模擬和數(shù)字供電軌在工作溫度范圍內(nèi)的功耗，結(jié)果如圖9所示。室溫下的總功耗為155 mW，200°C下則增至225 mW。3.3 V供電軌上的功耗由以全時鐘速率運(yùn)行的微控制器和一個精密震蕩器為主。我們?yōu)檗D(zhuǎn)換器設(shè)定的突發(fā)采樣速率為每秒8192個樣本。

圖9. 2.5 V、3 V和5 V供電軌的功耗

有關(guān)額外參數(shù)的測試結(jié)果請參閱參考平臺，其額定參數(shù)指標(biāo)符合200°C工作溫度要求。

應(yīng)用示例

油氣勘探、航空航天和重工業(yè)領(lǐng)域的多種應(yīng)用通過加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)定向和震動檢測。搭載模擬輸入的加速度計(jì)具有最高的精度，而且非常靈活，能根據(jù)應(yīng)用需要調(diào)節(jié)傳感器輸出。

ADXL206是一款完整的精密型低功耗雙軸iMEMS?加速度計(jì)，可用于高溫環(huán)境。其范圍為±5 g，帶寬范圍為0.5 Hz至2.5 kHz。ADXL206的輸出以? VCC為中心，與VCC成比率。如果ADXL206和EV-HT-200CDAQ1共用VCC(在連接器上提供)，則可以用多路復(fù)用器S7通道上的VCC基準(zhǔn)電壓源清零直流失調(diào)和電源漂移。圖10為一個示例電路。必須按?的比例因子對ADXL206的信號范圍(0 V至5 V)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0 V至2.5 V的范圍相擬合。具體方法是，先緩沖輸出，然后使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部的衰減器。C2和C3設(shè)定ADXL206的帶寬；圖9中的例子所示帶寬為33 Hz。低帶寬應(yīng)用可以使用多路復(fù)用器輸入；要實(shí)現(xiàn)最高的帶寬和精度，可以使用兩個非多路復(fù)用輸入通道。

圖10. 高溫加速度計(jì)與EV-HT-200CDAQ1的接口。

小結(jié)

本文介紹了一種新的、高度集成的魯棒型精密數(shù)據(jù)采集參考平臺，EV-HT-200CDAQ1，該平臺經(jīng)過測定，其參數(shù)指標(biāo)符合200°C工作溫度要求。借助該平臺，高電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以在原型制作和評估中使用最先進(jìn)的組件，從而縮短開發(fā)時間和上市時間。有關(guān)該平臺的更多信息(包括整個設(shè)計(jì)包和軟件)，請點(diǎn)擊此處。