适用于极端高温环境的强大精密数据采集和控制平台

作者：Jeff Watson and Maithil Pachchigar

多个行业的需求导致高精度电子产品越来越多地靠近高温区域。这一趋势有几个驱动因素，例如在能源勘探中，获取难以获得的资源通常需要设计为在175°C或更高的温度下运行的设备。由于尺寸和功率限制，主动冷却是不切实际的，热量对流非常有限。在其他系统中，希望将传感器和信号调理节点放置在靠近高温区域的位置，例如发动机、制动系统或高功率能量转换电子设备，以提高整体系统可靠性或降低成本。航空航天、汽车、重工业和其他终端应用都在努力克服这一设计挑战。

从历史上看，工程师为这些应用设计可靠、高性能的电子设备一直非常具有挑战性，因为缺乏制造商为这些工作条件指定的组件。幸运的是，近年来，制造商指定用于175°C及更高温度工作的IC和无源元件数量越来越多。此外，最近的参考设计还关注信号链子系统中组合在一起用于精密数据采集的一些组件的性能，以使系统设计人员能够更快地采用CN-0365等技术，并帮助他们降低设计风险并缩短上市时间。然而，到目前为止，在用于高温精密数据采集的全功能齐全、特性良好且广泛可用的平台方面仍然存在差距。

在本文中，我们介绍了一种新的高温、精密数据采集和处理平台，该平台设计工作温度为200°C。 该平台包括带有数据采集前端和微控制器的高温电路组件、优化固件、数据采集和分析软件、源代码、设计文件、物料清单和测试报告。该平台适用于高温仪器系统的参考设计、快速原型设计和实验室测试。电路组件的尺寸和结构设计为与石油和天然气仪表外形尺寸兼容，尽管它也可以用作其他高温应用的基础。

硬件架构概述

石油和天然气勘探中使用的仪器，也称为井下工具，类似于许多精密数据采集和控制平台，但具有一些专门的性能和可靠性要求，作为该参考平台的案例研究很有趣。在此应用中，对来自各种传感器的信号进行采样，以收集有关周围地质构造的信息。这些传感器可以采用电极、线圈、压电或其他换能器的形式。加速度计、磁力计和陀螺仪提供有关钻柱倾斜度和旋转速率的信息。其中一些传感器的带宽非常低，而另一些传感器能够提供音频范围或更高的信息。需要多个采集通道，并且必须在高温（通常为175°C或更高）下保持高精度。此外，这些仪器中的许多都使用电池供电或可用的发电量有限，因此必须具有低功耗和多种工作模式以实现功率优化。

除了电子系统要求外，井下应用还具有机械约束，这些约束可能决定电子组件的外形尺寸，并影响组件的封装和选择。后者将在后面的章节中更详细地讨论，但值得注意的是，该段的电路组件往往对电路板宽度有限制。电子组件必须放置在钻井作业中使用的管状压力容器内，这会导致长宽比和窄。这种外形尺寸限制了可填充组件的尺寸和密度，还可能限制组件布局和信号路由的分区，这可能会对高精度电子产品的性能产生重大影响，因此需要注意布局和其他封装设计细节。图2显示了典型的外形尺寸、安装在管状压力容器中的电路组件（透明，顶部）和板安装的管状压力容器的横截面（底部）。

本文介绍的可靠参考设计平台以CN-0365模拟前端参考设计为基础，旨在为基于微控制器的高温、低功耗精密数据采集和控制解决方案奠定基础，以满足许多井下仪器仪表和其他高温电子设备的要求。此参考设计基于AD7981模数SAR转换器，展示了功能齐全的 系统具有 2 个高速同步采样通道以及 8 个额外的多路复用通道，适用于满足各种井下工具的采集要求（总共 10 个通道）。该模拟前端通过SPI端口连接到联盟合作伙伴Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM Cortex-M0微控制器。该设计是ADI不断发展的高温应用产品和解决方案生态系统的最新成员。®®

图1.高温参考平台。

一旦采集，数据可以在本地处理或通过UART或可选的RS-485通信接口传输。板上的其他支持元件，包括存储器、时钟、电源和无源器件，均由其各自的供应商额定为高温工作，并经验证可在 200°C 或更高的温度下可靠运行。图1和图2显示了该高温基准平台的实际电路板和高级框图。图 2 中的电路板渲染图显示了井下电子电路板布局和外形尺寸，长约 11.4 英寸，宽约 1.1 英寸。

图2.井下电子组件外形。

CN-0365应用笔记广泛介绍了该平台的精密数据采集通道设计。3该设计是该平台上三个ADC输入的基础，尽管进行了一些更改和优化，主要是在无源元件选择方面，以满足电路板的外形尺寸要求，并将可靠工作温度延长至200°C。 参考采集通道电路如图4所示。有2个数字多路复用通道，每个通道包含一个完整的数据采集通道，类似于CN-0365，能够以高采样速率运行。还有一个模拟多路复用通道，在输入前面增加了一个ADG798多路复用器，该通道针对较低吞吐量的输入进行了优化。R1和R3为U1的同相输入提供1.25 V偏置，并在保持开路或取消选择多路复用器时防止其浮动到模拟输入的供电轨。可以改变R8和R9以增加U1的增益。R4、R7和C1是抗混叠滤波器，但它们可以重新配置为衰减器或备用滤波器配置。R5、R6和C4构成ADC驱动器和ADC输入之间的RC滤波器，用于限制到达ADC输入端的带外噪声量，并衰减ADC输入中开关电容的反冲电压。4

图3.高温参考平台框图。

图4.ADC 驱动程序配置。

该平台旨在利用AD7981 ADC的几个关键特性。这款16位、600 kSPS转换器能够实现大于85 dB的典型SINAD和±0.6 LSB（典型值INL），基准电压源为2.5 V，无失码。使用5 V基准电压源可以实现大于90 dB的SINAD电压源，尽管为了保持与低压系统的兼容性，本平台未选择该基准电压源。由于ADC内核在转换周期之间自动关断，因此ADC功耗随吞吐速率自动线性调节。这样，当以较低的采样率使用转换器时，可以实现节能。

软件概述

固件

该平台的固件基于 FreeRTOS 操作系统构建，便于简单合并任务，例如数据处理和其他形式的通信。代码经过优化，可高效完成非多路复用通道0和1的快速ADC转换，以及多路复用通道2至9的低至10 μs。转换结果可以在本地处理，也可以以 2 Mbps 的速度从 UART 通道流式传输出去。转换结果缓冲器为16 kB（8k样本），可在多个通道之间共享或专用于单个通道。该固件以开源格式提供，允许最终用户进行定制，并可作为最终应用的基础。

数据采集和分析软件

图 5 显示了数据采集和分析软件，该软件采用 .NET 设计，通过 USB-UART-TTL 电平转换器与电路组件接口。定义明确的协议允许与硬件进行通信，包括控制和数据流。数据可以在突发模式下捕获，也可以连续捕获。此外，还包括数据分析功能，用于分析和验证时域和频域（例如FFT）中的SNR、THD和SINAD。数据还可以记录到文件中（例如，在Excel中导出），以便在其他应用程序中存储或处理。与固件一样，数据采集软件源代码可由最终用户免费定制。

图5.数据采集和分析软件。

高温结构

该参考平台使用适合200°C操作的组件和其他材料构建。组件上使用的所有组件均由相应制造商评定为高温操作（除非另有说明），并且可从全球分销商处随时获得。完整的 BOM、PCB 图稿和装配图可作为参考设计包的一部分免费提供。

电容器

C0G 或 NP0 介电电容器用于低值滤波和去耦。这些电介质在整个温度范围内具有非常平坦的系数，并且通常更能耐受电路板弯曲应力。5此外，对于在变化电压下具有高Q值、低温度系数和稳定电气特性的RC滤波器，建议使用C0G或NP0型电容器。小尺寸 0805 或更小的陶瓷用于最大限度地减少组件和 PCB 之间的 CTE 不匹配。选择高温钽电容器进行大容量储能时，需要在封装尺寸和ESR之间进行权衡。

电阻

薄膜 SMT 电阻器，汽车级 PATT 系列，用于该设计的大部分，并且在市场上很容易买到。一些厚膜SMT电阻器在设计中也用于特定的值和尺寸。

连接

该板采用额定温度为 200°C 的 Micro-D 连接，这在高可靠性行业中很常见。为了减少信号串扰，规定连接器的外壳接地到组件中的PCB上。对于需要最高信号完整性和最低串扰的应用，应使用高温专用连接器（或无连接器）和同轴或屏蔽平衡输入，以最大程度地减少串扰。

印刷电路板设计和布局

选择长而窄的PCB外形尺寸是为了适用于井下应用，其中电路板必须符合钻孔和压力外壳的限制。选择的电路板材料是高温无卤聚酰亚胺.指定 0.093“ 板厚度，以增加标准 0.062” 厚度板的刚性和平面度。

使用镍金表面光洁度，其中镍提供抵抗金属间生长的屏障，金为焊点键合提供良好的表面。

对于所选的 0.093“ 电路板厚度，典型的四层堆叠将涉及 ~13 mil 铜层分离和 60 mil 的大内部核心。在六层中，层间距通常为 9.5 密耳和 28 密耳。因此，采用了六层设计，并允许在每个信号层旁边有一个接地层，以获得更好的噪声性能。

电源和数字通信信号馈入一个连接器，模拟信号进入另一个连接器。这在数字域和模拟域之间提供了良好的隔离和信号流。平面分割位于中板，在分割附近提供电源滤波。穿过分体平面的数字控制线被最小化，并提供串联端接以最大限度地减少数字噪声的耦合。数字和模拟接地层通过铜网连接在单个点上，为驱动源提供低阻抗返回路径。

多路复用器控制信号沿模拟部分的长度运行，但布线以远离关键的模拟信号路径。实际上，这些多路复用控制线与采集测量同步变化，因此串扰效应最小化。

焊料

选择Sn95/Sb05是为了在200°C的工作温度下提供足够高的熔点（>230°C），并提供良好的可加工性和总装车间的可用性。

板安装

该板上提供的立柱安装仅为方便起见，仅适用于台架测试或实验室情况下的安装。它们不适合高冲击和振动环境的安装座。为了在高冲击和振动环境中使用，可以通过首先用环氧树脂将组件固定到电路板上来制备电路板。IDC 标头等易受攻击的项目可以封装或从组件中删除。井下或其他恶劣环境应用的典型安装将涉及轨道安装系统，该系统通过灵活的减震安装垫圈固定电路板的周边。或者，可以将组件完全封装并灌封在安装硬件内，然后将其固定在机箱或机箱上。

有关相应器件的更多信息，请参阅文章“用于高温电子应用的低功耗数据采集解决方案”。2

性能测试结果

对几块电路板进行了广泛的测试，以评估温度范围内的典型性能，并在 200°C 环境中进行 200 小时的温度浸泡，以鉴定组装过程和电路板可靠性。

交流和直流信号链性能是基于SAR ADC的精密数据采集系统的关键精密测量指标。当ADC以600 kSPS运行时，比例式鲁棒平台在200°C时可实现–100 dB以上的串扰和±60 mV的最大失调漂移。对于交流测试，使用低失真1 kHz音调作为输入信号，电路板由+5 V供电直流/–2.5 V直流模拟电源。通过频谱分析计算在400 kSPS下采集的这种音调的FFT如下图6所示。在 200°C 时可获得优于 84 dB SNR 和 –96 dB THD。 图7显示了SNR和SINAD，图8显示了具有相同输入音的非多路复用通道的THD随温度的变化。

图6.200°C下的FFT和频谱分析。

图7.信噪比和锡纳德随温度变化。

图8.总谐波比温度变化。

模拟和数字电源轨上的电流消耗在整个温度范围内测量，如图9所示。室温下的总功耗为 155 mW，200°C 时增加到 225 mW。 3.3 V电源轨的功耗主要来自微控制器和精密振荡器，微控制器以全时钟速率运行。转换器设置为每秒采集8192个样本。

图9.2.5 V、3 V和5 V电源轨的电流消耗

其他参数的测试结果可以在参考平台上找到，该参考平台经过认证并具有200°C操作特性。

应用示例

在石油和天然气勘探、航空航天和重工业的许多应用中，加速度计都用于方向和振动传感。具有模拟输出的加速度计可以提供最高程度的精度，并可根据应用灵活地调节传感器输出。

ADXL206是一款精密、低功耗、完整的双轴iMEMS加速度计，适用于高温环境。它提供 ±5 g 范围和 0.5 Hz ≤带宽≤ 2.5 kHz。ADXL206的输出中心约为1/2 V®抄送并且与 V 成比例抄送.如果 ADXL206 和 EV-HT-200CDAQ1 共享 V抄送（在连接器上可用），V抄送多路复用器通道S7上提供的基准可用于零直流失调和电源漂移。示例电路如图10所示。ADXL206的0 V至5 V信号范围必须按1/2比例调整，以适应精密数据采集系统的0 V至2.5 V范围。这是通过首先缓冲输出，然后使用数据采集系统内部的衰减器来实现的。C2和C3设置ADXL206的带宽;图9中的示例显示了33 Hz的带宽。 低带宽应用可以利用多路复用器输入;为了获得最高的带宽和精度，可以使用两个非多路复用输入通道。

图 10.将高温加速度计与 EV-HT-200CDAQ1 接口。

总结

本文介绍了一种新型、高度集成的鲁棒型精密数据采集参考平台EV-HT-200CDAQ1，该平台经认证并具有200°C工作特性。该平台允许高温电子系统的设计人员使用最新的先进组件进行快速原型设计和评估，从而最大限度地减少开发时间和上市时间。

审核编辑：郭婷