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引言：

隨著人類需求和探索領域的逐步擴張，工程師需要研發出能夠在極端高溫等惡劣環境下可靠工作的電子設備，比如在油氣開采行業。雖然這些行業的最終應用不盡相同，但對信號調理需求卻是共同的。這些系統的主要部分要求對多個傳感器進行精確數據采集，或者要求高采樣速率。除此之外，諸多這樣的應用很可能有嚴格的功率預算，因為它們采用電池供電，或者無法耐受自身電子元件發熱導致的額外升溫。因此，需要用到可以在一定高溫范圍內保持高精度，并且可以靈活適用于諸多場景的低功耗信號采集模塊。

1.整體電路設計

該設計在室溫至190°C溫度范圍內提供一個完整的數據采集電路構建模塊，可獲取模擬傳感器輸入、對其進行調理，并將其特征化為串行數據流。電路使用低功耗（600kSPS時為4.65mW）、耐高溫ADC（ADS8320）實現模數轉換。ADS8320－HT是TI公司一款16位高速、低功耗ADC,其工作電壓范圍為2.7V到5V。該ADC的功耗與采樣速率成線性比例關系，在5V供電100K的采樣速率下典型功耗4.5mW。8引腳的陶瓷封裝可以適用于210°C的高溫場景。考慮整個信號鏈的能量傳輸情況，如果信號源阻抗過高會使電路性能顯著降低，尤其是總諧波失真(THD)。因此，ADS8320的輸入適合直接從低阻抗信號源驅動，在此采用耐高溫、低功耗運算放大器OPA211-HT作為ADC驅動。運算放大器OPA211-HT是一款單位增益穩定運算放大器，其出色的直流和交流特性對傳感器信號調理非常有利，滿足做緩沖的必要條件。在采集時間開始時，開關閉合，容性DAC在ADC輸入端注入一個電壓毛刺（反沖）。ADC驅動器幫助此反沖穩定下來，并將其與信號源相隔離；同時，在ADC驅動器與ADS8320之間的RC濾波器衰減ADS8320輸入端注入的反沖，并進一步限制進入此輸入端的噪聲帶寬。考慮到輸入信號要求從正供電軌到負供電軌具有300mV裕量。這就使得負電源成為必要，所選負電源為–2.5V。OPA211-HT提供額定溫度為175°C的8引腳SOIC封裝和額定溫度為210°C的8引腳陶瓷封。ADS8320通過兩線的同步串行接口送出數據。像其他SAR型ADC一樣，ADS8320對來自電源、參考電壓端等源頭的尖脈沖非常敏感。

如果這些毛刺與轉換器的時鐘信號（DCLOCK）同步，這些特定的誤差源是很難被追蹤的，從而會導致零星的誤操作。基于這種考慮0.1微法的陶瓷電容作為電源去耦是非常必要的，同時10微法的電容器和十歐姆的電阻構成的低通濾除電源的噪聲。參考電壓的性能是ADC精度保證的重要因素，電路的參考電壓采用基準電壓源REF5025-HT提供2.5V的基準電壓為電路提供參考電壓，該芯片同樣通過了高溫認證，8引腳的陶瓷封裝為210°C高溫應用提供可能。REF5025-HT基準電壓源在時210°C僅消耗最大60µA的靜態電流，并具有典型值40ppm/°C的超低漂移特性，因而非常適合用于該低功耗數據采集電路。該器件的初始精度為±0.4%，可在3.3V至16V的寬電源范圍內工作。由于ADC的參考電壓輸入具有動態輸入阻抗，需要采用用低阻抗源驅動，OPA211-HT同樣適合用作基準電壓緩沖器。使用基準電壓緩沖器的另一個好處是，基準電壓輸出端噪聲可通過增加一個低通RC濾波器來進一步降低，從而保證進入ADC的參考電壓干凈。由于ads8320參考電壓輸入端內部沒有噪聲抑制電路,任何噪聲和電源紋波都會直接出現在數字信號的輸出結果。尤其是當參考電壓與電源直接連接的時候，應該特別重視。雖然高頻噪聲可以通過前述方法在REF引腳與GND之間有效去耦來祛除，但是50赫茲或60赫茲的線路頻率引起的電壓變化是比較難以去除的。在該電路中，49.9Ω電阻和47μF電容提供大約60Hz的低通濾波為參考電壓的干凈提供保證。在ADC轉換期間，ADS8320基準電壓輸入端可能出現高達mA級別的電流尖峰。在盡可能靠近基準電壓輸入端的地方放置一個低ESR、47μF鉭電容C9，以便使該電流對基準電壓輸入端噪聲保持較低水平。在高溫應用場景下，需要考慮塑封材料的玻璃轉化溫度，本設計使用175°C以上的薄膜型低TCR電阻。COG/NPO電容容值較低常用于濾波器和去耦應用，其溫度系數非常平坦。耐高溫鉭電容有比陶瓷電容更大的容值，用于電源濾波。

2.PCB設計制作

模擬信號和數字接口位于ADC的相對兩側。ADC的所有數字信號位于右側，所有模擬信號位于左側，在ADS8320之下或模擬信號路徑附近不走數字信號。采用這種方式可以最大程度地降低耦合到ADC芯片和輔助模擬信號鏈中的噪聲。基準電壓輸入REF具有動態輸入阻抗，去耦部分應當用極小的寄生電感去耦，為此須將基準電壓去耦電容放在盡量靠近REF和GND引腳的地方；同理，電源電壓去耦電容放在盡量靠近VCC和GND引腳的地方并用低阻抗的寬走線（1.5mm）連接這些引腳。同時，將所有元器件全都放在正面，以方便從底面加熱測試。針對高溫電路，PCB裝配使用聚酰亞胺材料，其典型玻璃轉化溫度大于240°C。此外，應當使用高熔點焊料，熔點與系統最高工作溫度之間應有合適的裕量。本裝配選擇SAC305無鉛焊料，其熔點為217°C，相對于175°C的最高工作溫度有42°C的裕量。

3.結論

針對高溫場景下的信號檢測需求，本文設計一款信號采集電路。核心采用能工作在高溫環境下的ADC(ADS8320)，通過ADC驅動和基準電壓緩沖設計，保證其轉換的精度。采用低功耗器件的配置降低電路整體功耗，可以為高溫下的信號檢測提供參考。

作者：楊平 桂蓮彬 張健 陳昌濤 單位：四川化工職業技術學院