在許多惡劣環(huán)境系統(tǒng)中,，一個(gè)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)是高精密電子器件離高溫區(qū)域越來(lái)越近,。這一趨勢(shì)背后有多個(gè)推動(dòng)因素，在能源勘探、航空航天,、汽車(chē),、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(duì)流非常有限,。在其他系統(tǒng)中，需要把傳感器和信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)置于高溫區(qū)域附近,，比如發(fā)動(dòng)機(jī),、剎車(chē)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(lái)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?chǎng)上缺少制造商為這些工作條件生產(chǎn)指定的組件,。幸運(yùn)的是,，近年來(lái)出現(xiàn)了越來(lái)越多的（IC和無(wú)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(hào)鏈子系統(tǒng)中結(jié)合起來(lái),，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(xiǎn),、縮短上市時(shí)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(tái)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(tái),，其工作溫度高達(dá)200°C,。該平臺(tái)包括一個(gè)高溫電路組件，以及一個(gè)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(cè)試報(bào)告。該平臺(tái)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(cè)試。電路組件的尺寸和結(jié)構(gòu)均經(jīng)過(guò)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(tái)類(lèi)似,，但對(duì)性能和可靠性有著具體的要求,，可以作為本參考平臺(tái)的案例進(jìn)行研究。在該應(yīng)用中,，系統(tǒng)來(lái)自各類(lèi)傳感器的信號(hào)采樣,，以收集與周?chē)刭|(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(gè)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(gè)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(huì)影響組件的封裝和選擇,。對(duì)于后一個(gè)問(wèn)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(duì)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(zhǎng)寬比具有狹長(zhǎng)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(hào)路由的分割方式,，結(jié)果可能對(duì)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(gè)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(tái)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?；贏D7981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(gè)高速同步采樣通道和8個(gè)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(gè)通道）,。該模擬前端通過(guò)SPI端口接入來(lái)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(tái),。

采集后，可以在本地處理數(shù)據(jù),，也可通過(guò)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(shí)鐘,、電源和無(wú)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(tái)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(zhǎng)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(tái)精密數(shù)據(jù)采集通道的設(shè)計(jì)問(wèn)題,。³ 該設(shè)計(jì)是這個(gè)平臺(tái)上的三個(gè)ADC輸入的基礎(chǔ),，不過(guò)，為了滿足電路板尺寸要求,，使平臺(tái)能在最高200°C的溫度下可靠地工作,，主要在無(wú)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(gè)能在高采樣速率下工作的數(shù)字多路復(fù)用通道,，每一個(gè)都含有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集通道（與CN-0365類(lèi)似）。還有一個(gè)模擬多路復(fù)用通道,，其在輸入之前添加了一個(gè)ADG798多路復(fù)用器,，并針對(duì)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(kāi)時(shí)或者取消選擇多路復(fù)用器時(shí),，浮動(dòng)至模擬輸入的供電軌?？梢愿腞8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(dòng)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(lái)自ADC輸入開(kāi)關(guān)電容的反沖電壓,。⁴

圖3.高溫參考平臺(tái)功能框圖。

圖4.ADC驅(qū)動(dòng)器配置,。

設(shè)計(jì)該平臺(tái)就是為了利用AD7981 ADC的多個(gè)關(guān)鍵特性,。這款16位、600 kSPS轉(zhuǎn)換器能提高超過(guò)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(wú)丟碼。采用5 V基準(zhǔn)電壓源時(shí),，可以實(shí)現(xiàn)90 dB以上的SINAD,，但在本平臺(tái)中，為了維持與較低電壓系統(tǒng)的兼容性,，我們沒(méi)有選擇這一規(guī)格,。由于ADC內(nèi)核在轉(zhuǎn)換周期之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)入省電狀態(tài)，因此,，ADC的功耗會(huì)隨吞吐量自動(dòng)線性變化,。在使用低采樣速率的轉(zhuǎn)換器時(shí),，這樣做可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

軟件概述

固件

平臺(tái)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(duì)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(shí)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(gè)通道之間共享,，也可專(zhuān)門(mén)供一個(gè)通道使用,。該固件以開(kāi)源格式提供，最終用戶可以對(duì)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(guò)一個(gè)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(shí)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(chǔ)起來(lái)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(tái)采用適合在200°C條件下工作的組件和其他材料制成,。平臺(tái)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(shuō)明時(shí)除外）,，并且全球經(jīng)銷(xiāo)商網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)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(duì)屈曲應(yīng)力的耐受性更好,。⁵ 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(chǔ)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(chē)級(jí)PATT系列）,，市場(chǎng)上貨源充足。另外,，根據(jù)設(shè)計(jì)需要,，針對(duì)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(gè)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(hào)串?dāng)_，我們對(duì)連接器外殼進(jìn)行了特別處理,，將其接地至組件中的PCB,。對(duì)于要求最高信號(hào)完整性和最低串?dāng)_的應(yīng)用，則要采用高溫專(zhuān)業(yè)連接器（或者無(wú)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(zhǎng)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(gè)壁壘,，可防止金屬間增生,，金則為接頭焊接提供一個(gè)良好的表面。

對(duì)于選擇的0.093英寸電路板厚度,，典型的四層堆疊中有一個(gè)約13密耳的銅隔離層和一個(gè)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(gè)信號(hào)層設(shè)置一個(gè)接地層，從而改善噪聲性能,。

電源和數(shù)字通信信號(hào)饋入一個(gè)連接器,，模擬信號(hào)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(hào)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(gè)點(diǎn)把數(shù)字和模擬接地層焊接起來(lái)，為驅(qū)動(dòng)源提供一個(gè)低阻抗回路,。

多路復(fù)用器控制信號(hào)與模擬部分長(zhǎng)度相同,，但其敷設(shè)路徑與關(guān)鍵模擬信號(hào)路徑隔開(kāi)。在實(shí)踐中,，這些多路復(fù)用控制線路會(huì)與采集數(shù)據(jù)測(cè)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(shí)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?cè)谶@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(cè)試或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境,，不適合強(qiáng)沖擊和強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境,。如果要用于強(qiáng)沖擊和強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境，可以先用環(huán)氧樹(shù)脂把組件固定在電路板上,。對(duì)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(gè)電路板固定起來(lái)。也可以把裝配件完全密封起來(lái)并裝入安裝硬件中,，然后把安裝硬件固定到底盤(pán)或外殼上,。

有關(guān)相關(guān)器件的更多信息，請(qǐng)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,。²

性能測(cè)試結(jié)果

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

交流和直流信號(hào)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(shí),，魯棒的比率式平臺(tái)的串?dāng)_性能可達(dá)–100 dB以上,，最大失調(diào)漂移達(dá)±60 mV。對(duì)于交流測(cè)試，用一個(gè)1 kHz的低失真音作為輸入信號(hào),，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(hào)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(shí),，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(cè)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(shí)鐘速率運(yùn)行的微控制器和一個(gè)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(gè)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(cè)試結(jié)果請(qǐng)參閱參考平臺(tái),，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(guò)加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)定向和震動(dòng)檢測(cè),。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(gè)示例電路。必須按?的比例因子對(duì)ADXL206的信號(hào)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(gè)非多路復(fù)用輸入通道。

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(tái),，EV-HT-200CDAQ1，該平臺(tái)經(jīng)過(guò)測(cè)定,，其參數(shù)指標(biāo)符合200°C工作溫度要求,。借助該平臺(tái)，高溫電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以在原型制作和評(píng)估中使用最先進(jìn)的組件,，從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和上市時(shí)間,。有關(guān)該平臺(tái)的更多信息（包括整個(gè)設(shè)計(jì)包和軟件），請(qǐng)點(diǎn)擊此處,。

圖10.高溫加速度計(jì)與EV-HT-200CDAQ1的接口,。

參考文獻(xiàn)

1    Jeff Watson和Gustavo Castro，“高溫電子設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)和可靠性帶來(lái)挑戰(zhàn)”,，模擬對(duì)話,，第46卷第4期，2012年4月,。

2    Jeff Watson和Maithil Pachchigar,，“面向高溫應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案”，模擬對(duì)話,，第49卷第3期,，2015年8月。

3    CN-0365：面向高溫環(huán)境的16位,、600 kSPS,、低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，ADI公司,，2015年6月,。

4    Alan Walsh，“面向精密SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計(jì)”,，模擬對(duì)話,，第46卷第4期，2012年12月,。

5    John L. Evans,、James R. Thompson,、Mark Christopher、Peter Jacobsen和R. Wayne Johnson,，“不斷變化的汽車(chē)環(huán)境：高溫電子設(shè)備”,，《IEEE電源電子會(huì)刊》，第27卷第3期,，2004年7月,。

作者簡(jiǎn)介：

Jeff Watson 是ADI公司儀器儀表市場(chǎng)部戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，主要負(fù)責(zé)精密電子測(cè)試和測(cè)量以及高溫應(yīng)用,。加入ADI公司之前,，他是地下石油和天然氣儀器儀表行業(yè)以及非公路用車(chē)儀器儀表/控制行業(yè)的一名設(shè)計(jì)工程師。他擁有賓州州立大學(xué)的電氣工程學(xué)士和碩士學(xué)位,。

Maithil Pachchigar是ADI公司麻薩諸塞州威明頓市儀器儀表與精密技術(shù)業(yè)務(wù)部門(mén)的應(yīng)用工程師,。2010年加入ADI公司以來(lái)，他致力于儀器儀表,、工業(yè)和醫(yī)療健康行業(yè)的精密轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品組合工作和客戶支持,。自2005年以來(lái)，Maithil一直在半導(dǎo)體行業(yè)工作,，并已獨(dú)立及合作發(fā)表多篇技術(shù)文章,。Maithil于2003年獲印度S.V.國(guó)家技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年獲圣何塞州立大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位,，2010年獲硅谷大學(xué)MBA學(xué)位,。