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介绍
在很多极端自然环境系统软件中，一个持续上升的发展趋势是精密加工电子器件元器件离高溫地区愈来愈近。这一发展趋势身后有好几个促进要素，在电力能源勘查、航天航空、车辆、工业和别的终端设备运用里都有反映。1比如，在电力能源勘查行业，工作温度增长幅度为深层的函数公式，有关设施的典型性操作温度为175°C及以上。受规格和输出功率限定，数字功放制冷不太具体，对流传热十分比较有限。在其他系统中，必须把感应器和脉冲调制连接点放置高溫地区周边，例如汽车发动机、制动系统或大功率电力能源变换电子元器件，以提升系统软件的总体稳定性或控制成本。
从历史时间上看来，技术工程师要为这个运用设计方案出靠谱的性能卓越电子元器件是十分艰难的事，由于销售市场上缺乏生产商为这种工作中标准生产制造特定的部件。幸运的是，近些年发生了愈来愈多的(IC和微波感应器)部件，生产商特定的平均气温达到175°C及以上。此外，近期的参照设计方案也侧重于特性，将一部分这种部件在数据信号链扣系统软件中结合在一起，完成高精密数据采集，以使系统软件室内设计师能迅速地选用有关技术性(如CN-0365)，并协助她们减少开发风险性、减少上市时间。但在此之前，在高溫高精密数据采集层面，间距特点优良、普遍可以用的多功能服务平台还出现一些差别。
在文中中，大家将详细介绍一种新式高溫高精密数据采集与解决服务平台，其操作温度达到200°C。该服务平台包含一个高溫电源电路部件，及其一个数据采集前面和微处理器、提升的固定件、数据采集与分析系统、源码、设计方案文档、材料清单和检测汇报。该服务平台合适参照设计方案、迅速原形制做和高溫仪表设备系统软件试验室检测。电源电路部件的规格和构造均通过尤其设计方案，可兼容石油天然气仪表设备的规格规定，但也可用作别的高溫运用的基本。
硬件配置构架简述
燃气勘查中采用的仪表设备(也称之为矿井专用工具)与很多高精密数据采集与操纵服务平台相近，但对特性和稳定性拥有实际的规定，可以做为本参照服务平台的实例开展科学研究。在该运用中，系统软件来源于各种感应器的信息取样，以搜集与周边地质构造有关的信息内容。这种感应器可能是电级、电磁线圈、压电传感器或别的感应器。加速度传感器、磁力计和手机陀螺仪可以出示相关钻柱的倾斜度和转速比信息内容。这种感应器中有一些的网络带宽规定极低，别的感应器则能给予声频工作频率区域内或以上的信息内容。必须应用好几个收集安全通道，还必需在高溫(一般为175°C及以上)下保持高精密。此外，这种仪表设备中非常大一部分选用充电电池配电，或是可以用电磁能比较有限，因而，务必具备功耗低和好几个工作模式的特性，以完成功能损耗提升。
在相关电子控制系统的标准之外，矿井运用还存有机械设备上的限定，很有可能决策着电子器件部件的规格，也有可能会危害部件的封装形式和挑选。针对后一个问题，大家将在后面各节里详尽探讨，现阶段要留意的是，这一段的电源电路部件一般对线路板总宽有限定。务必将电子器件部件放到勘探工作中采用的筒状高压容器中，因而其宽高比具备窄长特性。这类样子上的特别限定了可以用部件的规格和相对密度，也很有可能限定部件合理布局和数据信号路由器的切分方法，結果很有可能对高精密电子元器件的特性导致危害，因而，要需注意合理布局和其它封装形式设计方案关键点。图2所显示为一种典型性规格、装在一个筒状高压容器里的电源电路部件(全透明，顶端)，装上线路板后筒状高压容器的截面(底端)。文中探讨的靠谱参照设计平台根据CN-0365仿真模拟前面参照设计方案，其目标是为根据高溫功耗低微处理器的高精密数据采集和操纵解决方法打下基础，使其合乎诸多矿井仪表设备和别的高溫电子元器件的规定。根据AD7981变位系数SAR转化器，该参照设计方案呈现了一种多功能的系统软件，带2个快速同歩取样安全通道和8个附加的时分复用安全通道，可达到普遍的矿井专用工具的数据采集要求(共10个安全通道)。该仿真模拟前面根据SPI端口号连接来源于同盟合作方Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM® Cortex®-M0。该设计方案是持续发展的ADI高溫运用商品和解决方法生态体系里的全新组员。
图1. 高溫参照服务平台。
收集后，可以在当地解决数据信息，也可根据UART或指定的RS-485通讯插口传送出来。电路板上的相关配套设施部件(包含运行内存、钟表、开关电源和无源器件)均为分别经销商特定的、适用高操作温度的元器件，工作经验证，这种部件能在200°C或以上的溫度下靠谱地工作中。图1和图2所显示为该高溫参照服务平台的具体线路板图和高端作用框架图。图2所显示线路板展现的是矿井线路板合理布局和规格，约长11.4英尺、宽1.1英尺。
图2. 矿井电子器件部件规格。
CN-0365运用手记中全方位地详细介绍了该服务平台高精密数据采集安全通道的制定问题。该设计方案是这一服务平台上的三个ADC键入的基本，但是，为了更好地达到线路板规格规定，使服务平台能在最大200°C的溫度下靠谱地工作中，关键在无源元件挑选层面开展了一些调节和提升。参照收集安全通道电源电路如下图4所显示。有2个能在高取样速度下运行的数据时分复用安全通道，每一个都带有一个完全的数据采集安全通道(与CN-0365相近)。还有一个仿真模拟时分复用安全通道，其在键入以前加了一个ADG798多路复用器，并对于低货运量键入开展了提升。R1和R3为U1的同相键入给予1.25 V偏置电压，避免其在断掉时或是撤消挑选多路复用器时，波动至仿真模拟键入的配电轨。可以变更R8和R9，以提升U1的收获。R4、R7和C1是抗混叠过滤器，但可以将他们重新部署为光衰减器或更替过滤器配备。R5、R6和C4组成ADC控制器与ADC键入中间的RC过滤器，该滤波器的作用是限定抵达ADC键入的带外噪音量，并损耗来源于ADC键入电源开关电容器的反冲力工作电压。
图3. 高溫参照服务平台作用框架图。
设计方案该服务平台便是为了更好地运用AD7981 ADC的好几个重要特点。这个16位、600 kSPS转化器能提升超出85 dB的典型性SINAD及其±0.6 LSB的典型性INL，在其中，标准电压源为2.5V且无丢码。选用5 V标准电压源时，可以完成90 dB以上的SINAD，但在本服务平台中，为了更好地保持与较低压系统软件的兼容模式，大家沒有挑选这一规格型号。因为ADC核心在变换周期时间中间会自行进到节电情况，因而，ADC的功能损耗会随货运量全自动线形转变。在应用低取样速度的转化器时，那样做可以完成环保节能。
图4. ADC控制器配备。
APP简述
固定件
服务平台的固定件根据FreeRTOS电脑操作系统做成，可以便捷地集成化每日任务，如数据处理方法和别的通讯。大家对编码开展了提升，便于非时分复用安全通道0和1能高效率地进行迅速ADC变换，时分复用安全通道2到9的变换用时低至10 μs。变换結果可以在当地解决，还可以2 Mbps的速度从UART安全通道中传送出来。变换結果油压缓冲器的尺寸为16 kB(8k次取样結果)，既可在好几个安全通道中间分享，也可专业供一个安全通道应用。该固定件以开源系统文件格式给予，终端用户可以对它进行订制，还可将其做为最后运用的基本。
数据采集与分析系统
图5所显示为数据采集与分析系统，根据.NET接口设计，开关电源部件根据一个USBUART-TTL电平转化器。依靠定义明确的协义，可以与硬件配置(包含操纵和数据流分析)开展通讯。数据信息可以在突发性方式下采集数据，也可持续收集。此外列入了数据统计分析作用，以在时域频域剖析与认证SNR、THD和SINAD(如FFT)。也可将数据信息纪录到文档(如导出来到Excel)，便于储存起來或是在别的运用中开展解决。就如固定件一样，大家完全免费给予了数据采集软件的源码，终端用户可以开展订制。
图5. 数据采集与分析系统。
高溫结构
本参照服务平台选用合适在200°C标准下运行的零部件和其它原材料做成。服务平台上采用的全部部件均为分别生产商特定的高温工作部件(另有表明时以外)，而且全世界代理商互联网早已逐渐很多供应。所有BOM、PCB合理布局图和安装工程图纸都随参照设计方案包完全免费给予。
电容器
用C0G或NP0电解介质电容器开展小容值的过滤器和去耦。这种电解介质电容器的温度系数主要表现极为平整，一般而言，其对屈伸内应力的耐受力更强。
为使RC过滤器具备高Q、低温度系数，而且在转变工作电压下具备稳定性的电气设备特点，提议应用C0G或NP0型电容器。大家用小规格0805或以上瓷器元器件减少了部件与PCB中间的CTE失配。出自于很多储存必须，大家选用了高溫贴片电解电容，并在规格与ESR中间开展了均衡。
电阻器
设计方案核心部位选用塑料薄膜SMT电阻器(车辆级PATT系列产品)，销售市场上有货。此外，依据设计方案必须，对于特殊值和规格挑选了一部分厚膜SMT电阻器。
射频连接器
线路板联接着一个额定值溫度为200°C的Micro-D，后者常见于可靠性高领域。为了更好地降低数据信号串扰，大家对射频连接器机壳开展了尤其解决，将其接地装置至部件中的PCB。针对规定最大信号完整性和最少串扰的运用，则要选用高溫技术专业射频连接器(或是无射频连接器)和同轴线或屏蔽掉均衡键入，以减小串扰。
PCB设计和合理布局
在矿井运用中宜挑选细长形的PCB，由于这种运用里的材料务必合乎打孔和抗压壳限定规定。挑选的电路板材料是一种耐热无卤素聚丙烯腈。特定线路板薄厚为0.093英尺而不是0.062英尺的规范薄厚，由于那样可以提升弯曲刚度和平整度。选用镍金表层处理，在其中镍给予一个堡垒，可避免金属材料间增长，金则为连接头电焊焊接给予一个优良的表层。
针对挑选的0.093英尺线路板薄厚，典型性的四层层叠中有一个约13密耳的铜隔离层和一个60密耳的大核心。如果是六层构造，则隔离层一般厚9.5密耳和28密耳。因此，大家选用了六层设计方案，那样就可以在每一个数据信号层设定一个接地质构造，进而改进噪音特性。开关电源和数字通信系统数据信号馈入一个射频连接器，脉冲信号则馈入反方向射频连接器。那样就可以在数据域与仿真模拟域中间完成优良的防护和数据信号流。地的切分建在线路板正中间，开关电源过滤则设在隔开处周边。尽量避免与隔开层交点的数字控制路线，选用串联端接以降低数据噪音藕合。用铜互联网布线在一个点把数据和仿真模拟接地质构造电焊焊接起來，为推动源给予一个低特性阻抗控制回路。
多路复用器操纵数据信号与仿真模拟一部分长短同样，但其铺设途径与重要脉冲信号途径分隔。在日常生活中，这种时分复用操纵路线会与采集数据精确测量同歩更改，进而最大限度地降低了串扰效用。焊接挑选Sn95/Sb05是因为在200°C的环境温度下给予充足高的溶点(>230°C)，与此同时还考虑到了较好的可操作性和装配工厂的目前生产能力。
线路板安裝
我们在这方面电路板上给予安裝柱是因为便捷考虑到，其仅适用标准检测或试验室自然环境，不适宜强冲击性和强振动自然环境。假如要用以强冲击性和强振动自然环境，可以先用树脂把部件固定不动在电路板上。针对IDC连接头等敏感部件，可以选用密封性方法或是从装零配件中清除。在矿井或其它极端条件中，典型性安裝方法是选用滑轨重装系统，用软性耐冲击安裝密封圈把全部线路板固定不动起來。还可以把装零配件彻底密封性起來并装进安裝硬件配置中，随后把安裝硬件配置固定不动到汽车底盘或机壳上。相关有关器材的其他信息，客户程序《面向高温电子应用的低功耗数据采集解决方案》一文。
功能测试結果
大家对几块线路板做好了普遍的检测，以评定其在操作温度范畴内的典型性特性；与此同时仍在200°C工作温度下泡浸了200钟头，便于测量机械加工工艺和线路板的稳定性。
沟通交流和直流电数据信号链特性是根据SAR ADC的高精密数据管理系统的一项重要精密度指标值。当ADC以600 kSPS的速度运作而且操作温度为200°C时，鲁棒性的比例式服务平台的串扰特性可达–100 dB以上，较大失衡飘移达±60 mV。针对沟通交流检测，用一个1 kHz的低失帧音做为键入数据信号，并且用 5 VDC/–2.5 VDC仿真模拟开关电源为线路板配电。图6所显示为该数据信号音在400 kSPS下的FFT及频谱分析数值。在200°C下，SNR好于84 dB，THD达–96 dB。图7所显示为SNR和SINAD，图8所显示为选用同一键入音时，非时分复用安全通道在操作温度范畴内的THD。
图6. 200°C下的FFT及频谱分析結果。
图7. 操作温度范畴内的SNR和SINAD。
图8. 操作温度范畴内的THD。
大家精确测量了仿真模拟和数据配电轨在操作温度范畴内的功能损耗，結果如下图9所显示。室内温度下的总功能损耗为155 mW，200°C下则增加到225 mW。3.3 V配电轨上的功能损耗由以全钟表速度运作的微处理器和一个高精密振荡器为主导。大家为转化器设置的突发性取样速度为每秒钟8192个样版。
图9. 2.5 V、3 V和5 V配电轨的功能损耗
相关附加主要参数的检测結果客户程序参照服务平台，其额定值主要参数指标值合乎200°C操作温度规定。
运用实例
燃气勘查、航天航空和工业行业的多种多样运用根据加速度传感器完成定项和振动检验。配备仿真模拟键入的加速度传感器具备较高的精密度，并且非常灵活，能依据使用必须调整感应器导出。
ADXL206是一款详细的精密型功耗低两轴iMEMS®加速度传感器，可适用于高溫自然环境。其范畴为±5 g，网络带宽范畴为0.5 Hz至2.5 kHz。ADXL206的输入以½ VCC为核心，与VCC成比例。假如ADXL206和EV-HT-200CDAQ1同用VCC(在射频连接器上给予)，则可以用多路复用器S7安全通道上的VCC标准电压源清零直流电失衡和开关电源飘移。图10为一个实例电源电路。务必按½的占比因素对ADXL206的信息范畴(0 V至5 V)开展调整，使其与高精密数据管理系统0 V至2.5 V的范畴相线性拟合。具体做法是，先缓存导出，随后应用数据管理系统內部的光衰减器。C2和C3设置ADXL206的网络带宽；图9中的事例所显示网络带宽为33 Hz。低网络带宽运用可以应用多路复用器键入；要完成最大的网络带宽和精密度，可以应用2个非时分复用键入安全通道。
图10. 高溫加速度传感器与EV-HT-200CDAQ1的插口。
总结
文中详细介绍了一种新的、相对高度集成化的鲁棒性型高精密数据采集参照服务平台，EV-HT-200CDAQ1，该服务平台通过测量，其主要参数指标值合乎200°C操作温度规定。依靠该服务平台，高电子控制系统室内设计师可以在模型制做和评定中应用最现代化的部件，进而减少开发设计時间和上市时间。相关该网站的其他信息(包含全部设计方案包和APP)，请点一下这里。
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