對輸出數據信號完整性和時鐘信號電磁干擾(EMI)的比較

 

隔離的Σ-Δ調制器長期以來被證明可以在嘈雜的工業(yè)電機應用環(huán)境中提供非常高的精度和強勁的電流和電壓感測能力。有兩類隔離型Σ-Δ調制器：一種是在IC內部產生時鐘信號;另一種是從外部時鐘源接收時鐘信號。 Σ-Δ調制器生成對應于輸入模擬信號的輸出數字比特流數據。輸出數字數據必須盡可能與時鐘信號同步。然后，微控制器以相同的時鐘信號頻率對該輸出數據進行采樣，以進一步濾波和抽取。

 

在本文中，將詳細研究這兩類隔離Σ-Δ調制器的輸出數據信號完整性。并通過簡單的電磁干擾(EMI)測試設置、對由這兩類Σ-Δ調制器的高頻時鐘信號產生的EMI進行比較。

 

隔離型Σ-Δ調制器的簡化框圖

 

圖1左側的簡化框圖說明了典型的內(部)時鐘隔離Σ-Δ調制器;右側是典型的外(部)時鐘隔離Σ-Δ調制器。對于內時鐘型來說，抖動極低的時鐘源構建在與Σ-Δ編碼器相同的芯片上。重新生成輸出MCLK，以允許輸出數據位流MDAT被脈送進微控制器以進行抽取和濾波。對于外時鐘型來說，外時鐘源為Σ-Δ調制器和微控制器提供時鐘信號。將在隔離柵的另一側檢測時鐘信號。檢測器必須能夠承受一定程度的時鐘抖動，并重構時鐘信號，以實現Σ-Δ編碼器的正常功能。

 

圖1：左圖是內時鐘隔離的Σ-Δ調制器簡化框圖;右圖是外時鐘隔離的Σ-Δ調制器的簡化框圖;兩者都連至微控制器。

 

輸出數據信號完整性

 

使用相同的微控制器(此例是FPGA)，分別測量內和外時鐘Σ-Δ調制器的信噪比(SNR)。這兩類Σ-Δ調制器的測量設置是相同的，只是外時鐘Σ-Δ調制器需要一個20MHz的外時鐘源提供時鐘信號。下面的圖2a和2b顯示了測量設置。將1kHz正弦波模擬電壓信號注入Σ-Δ調制器的輸入端，然后在FPGA處對相應的數字輸出比特流數據進行采樣，并經過稱為抽取的濾波過程。筆記本電腦上顯示的應用圖形用戶界面(GUI)顯示了重構的正弦波、快速傅里葉變換(FFT)，FFT用以計算信噪比(SNR)和SNR歷史圖與時間的對應關系。如果FPGA未能正確采樣Σ-Δ輸出數據比特流，則將清楚地觀察到歷史圖上SNR的突然下降。

 

圖2a：顯示了具有相同FPGA板和應用軟件的內和外時鐘Σ-Δ調制器的測量設置。

 

圖2b：顯示了測量設置的簡化示意圖

 

查看圖3中示波器捕獲的圖像，內時鐘Σ-Δ調制器的輸出MCLK信號似乎是抖動的。但從輸出時鐘MCLK的上升沿到輸出數據MDAT的上升沿或下降沿的時間延遲，對每個時鐘周期看來都是相同的。同樣，從外時鐘到其輸出MDAT的時間延遲似乎也是穩(wěn)定的。這里可得出結論：對這兩類Σ-Δ調制器，MDAT在每個時鐘周期始終與MCLK同步。

 

圖3：顯示了示波器捕獲的兩類Σ-Δ調制器的MCLK和MDAT圖像

 

從圖4中所示的SNR歷史圖與時間的對比來看，對于兩類Σ-Δ調制器都沒有觀察到SNR的突然下降。換句話說，FPGA(微控制器)可正確讀取這兩類Σ-Δ調制器的輸出數據(MDAT)。

 

圖4：顯示了應用GUI軟件中的測量結果

 

高頻時鐘信號產生的EMI

 

高頻時鐘信號是系統(tǒng)PCB板上EMI的主要來源之一。時鐘頻率越高、PCB走線越長，時鐘信號產生的EMI就越嚴重。內時鐘Σ-Δ調制器的時鐘信號走線可以更短。一些內時鐘的Σ-Δ調制器還結合了擴頻技術來擴展時鐘信號的頻率峰值，以有效降低EMI。為證明這點，設置了一種如圖5所示的簡單EMI測量方法，以分別測量內和外時鐘Σ-Δ調制器的時鐘信號產生的EMI。將環(huán)形天線放置在Σ-Δ調制器評估板上方5cm處。示波器設置為將頻率從0Hz掃頻到100MHz。

 

圖5：顯示了該簡單的EMI測量設置，用于測量兩類Σ-Δ調制器的時鐘信號的EMI

 

從圖6中示波器捕獲的圖像可以清楚看出，外時鐘源產生的EMI要高得多，在時鐘信號頻率及其諧波處達到峰值。例如，對于60MHz的三次諧波，外時鐘源產生的EMI比內時鐘Σ-Δ調制器輸出時鐘信號的高20dB。

 

圖6：顯示了進入外時鐘Σ-Δ調制器的時鐘信號產生的EMI要高得多，在時鐘信號頻率及其諧波處達到峰值

 

 

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