Hvordan man effektivt balancerer mellem latenstid, båndbredde og ydeevne for test- og målingssystemer

Designere af test- og måle-løsninger, såsom testbænke til biler og hardware-in-the-loop (HIL)-undersystemer, udfordres i stigende grad med at finde den optimale balance mellem høj ydeevne med lavere latenstid og større båndbredde. Samtidig har de brug for fleksibilitet og rekonfigurerbarhed for at kunne understøtte hurtigt skiftende systemkrav og betjene en bred vifte af anvendelsestilfælde.

Traditionelt kræver det en betydelig design-/fejlsøgningstid og -indsats at opfylde disse krav - samtidig med at man opretholder præcisionen af AC- og DC-ydeevne, når prøvehastigheden øges. Denne indsats øges ved enhver ombygning, når komponenterne ændres for at imødekomme ændringer i målene for prøvebænk og instrumentering.

Et bedre alternativ er en platformstilgang baseret på enheder, der er programmerbare, rekonfigurerbare og genanvendelige. Disse "anker"-dele etablerer en basislinje for ydeevne, der kan bruges - og genbruges - på tværs af variationer af en enkelt type applikation eller endda flere forskellige applikationer.

I denne artikel præsenteres Analog Devices AD3552R digital-til-analog-konverter (DAC) som et eksempel på, hvordan programmerbare komponenter kan opfylde designernes mål om at skabe en skalerbar, let optimeret, rekonfigurerbar platform for signalkæden. Evalueringskort og LTspice-understøttelse diskuteres for at hjælpe designere med at komme i gang. Desuden introduceres den højt integrerede ADAQ23878 analog-til-digital-konverter (ADC), som sammen med AD3552R kan udgøre to kritiske og komplementære ankerdele for en platformbaseret tilgang.

Integration og programmerbarhed forenkler design

Efterhånden som kravene til testsystemer ændrer sig, er de traditionelle og ofte vellykkede teknikker, der har været anvendt til at maksimere præcisionen og minimere fejl, om end med ekstra omkostninger til design og komponenter, ikke længere brugbare:

• Valg af "bedre" komponenter som f.eks. modstande med snævrere tolerance eller lavere temperaturkoefficient for at minimere utilstrækkeligheder både i den oprindelige ydeevne og over tid og temperatur.
• Brug af topologier, der i vid udstrækning understøtter selvudligning af uundgåelige fejl, f.eks. matchede modstande og differentialkredsløb eller den klassiske Wheatstone-bro.
• Oprindelig og løbende kalibrering ved hjælp af en "gylden" komponent, f.eks. en præcisionsspændingsreference, som alle andre nøglespændinger kan sammenlignes med.

Det bliver en større udfordring for designere af testsystemer at få succes med disse teknikker, når applikationen kræver høje opdateringshastigheder for ADC'en og DAC'en.

For at eliminere mange af disse udfordringer er en programmerbar, platformbaseret tilgang en bedre løsning ved at minimere - eller endda eliminere - behovet for at designe "fra bunden" for det oprindelige projekt og efterhånden som kravene ændres. Denne fremgangsmåde sikrer også en ensartet måde at evaluere og simulere et design på. Et kritisk element i denne programmerbare tilgang er DAC'en (figur 1).

Figur 1: DAC'en er en nøglefunktion i test- og instrumenteringsapplikationer; dens kapacitet er under nøje kontrol, efterhånden som kravene til testsystemer bliver mere og mere udfordrende. (Billedkilde: Analog Devices)

DAC's ydeevne og kapacitet bliver i stigende grad "belastet" af test- og kontrolapplikationer, der kræver både præcision og høj hastighed over et bredt område. De kræver også fleksibilitet og skal nemt kunne omkonfigureres uden at skulle gennemgå en komplet eller kompliceret omdesign- og rekvalificeringscyklus.

ADI AD3552R kan opfylde præstationsmålene, da det er en 16-bit, 33 millioner opdateringer pr. sekund (MUPS), multi-span, SPI DAC med to udgange (Figur 2). Ud over de grundlæggende ydeevneegenskaber er en anden fordel ved AD3552R den lethed, hvormed den kan omkonfigureres for at opfylde nye eller ændrede projektmål. Denne omkonfigurerbarhed omfatter en forsikring om, at den vil opfylde disse mål med stor sikkerhed, snarere end at bringe nye og uønskede "overraskelser".

Figur 2: AD3552R er en 16-bit, 33 MUPS, multi-span, dual-output SPI DAC, der nemt kan omkonfigureres til forskellige ydeevneegenskaber. (Billedkilde: Analog Devices)

AD3552R fås i en 5 mm × 5 mm LFCSP-pakning og fungerer med en fast 2,5 volts reference, men kan konfigureres via software til flere spændingsudgangsintervaller. Det giver også en optimal balance mellem ydeevne, præcision, hastighed og fleksibilitet.

Enheden indeholder tre driftkompenserende feedbackmodstande til støtte for den eksterne transimpedansforstærker (TIA), der skalerer udgangsspændingen. Offset- og forstærkningsskaleringsregistre giver mulighed for at generere flere udgangsspændviddeområder, f.eks. 0 til 2,5 volt, 0 til 5 volt, 0 til 10 volt, -5 til +5 volt og -10 til +10 volt, samt brugerdefinerede mellemområder med fuld 16-bit opløsning.

For at løse det velkendte dilemma "hastighed versus præcision" kan AD3552R DAC'en desuden fungere i Fast Mode for maksimal hastighed og hurtigste nedreguleringstid eller Precision Mode for højeste præcision og maksimal nøjagtighed. I Fast Mode indlæses DAC-dataene som et 16-bit ord, hvilket resulterer i en opdateringshastighed på 33 MUPS i en enkelt kanal. I modsætning hertil skrives data i Precision Mode som 24 bit, hvilket resulterer i en opdateringshastighed på 22 MUPS for en enkelt kanal.

Til de applikationer, der kræver lavere støjtæthed sammen med hurtigere nedreguleringstid, og som kan acceptere et højere strømforbrug, understøtter AD3552R kombinationen af de to DAC-kanaler til at producere et enkelt output (Figur 3). Begge DAC'er skal opdateres samtidigt med den samme kode for at opnå den samme spændingsudgang som ved brug af en enkelt DAC; AD3552R tilbyder flere effektive måder at gøre dette på.

Figur 3: AD3552R's to udgange kan kombineres for at opnå lavere støjtæthed og hurtigere nedkølingstid. (Billedkilde: Analog Devices)

Der er også fleksibilitet i enhedens SPI-interface, da det kan konfigureres i single SPI (klassisk SPI), dual SPI, synkron dual SPI og quad SPI-tilstand, med single data rate (SDR) eller double data rate (DDR) drift og med logikniveauer fra 1,2 til 1,8 volt. Da dataintegritet også er et stadigt voksende problem, kan enheden desuden aktiveres til at inkorporere en cyklisk redundanskontrol (CRC). Der er også integreret flere fejlkontroller til at opdage VREF-fejl eller korruption af hukommelseskortet.

Simuleringsmodeller fremskynder konfigurationen og skaber tillid

Selv om AD3552R er en bredbånds præcisionsenhed, vil der altid være kompromiser blandt de mange brugerprogrammerbare parametre. For at fremskynde forståelsen af virkningen af disse designmuligheder og hjælpe designere med at komme i gang understøttes den af evalueringskort samt LTspice til vurdering af støj, transientanalyse, AC-simulering og andre parametre. Dette forenkler optimering af latenstid/ydelse, så designere ikke behøver at indstille parameterværdier eller indgå kompromiser uden troværdige data.

Muligheden for at bruge LTspice i signalkæden samler alle dens elementer, så brugerne klart kan forstå den komplette signalkædes ydeevne. Dette er især vigtigt, da AD3552R tilbyder:

• Ti strømområder, som er resultatet af kombinationen af digitalt konfigurerede forstærkningsskaleringsværdier.
• Tre transimpedansforstærkningsværdier, som er resultatet af tilslutningen af en af feedbackmodstandene.
• I alt 511 digitalt konfigurerede DC-offsetværdier.

Det er i alt 15.330 kombinationer, hvilket klart overstiger omfanget af enhver "praktisk" breadboarding-tilgang eller endog selektiv manuel vurdering.

LTspice-modellen for AD3552R opdaterer de traditionelle analog-output-fokuserede DAC-modeller med en mere digitalt fokuseret simulering. Funktionaliteten af nogle af registrene i modellen - især dem, der vedrører digital forstærkningsskalering og DC-offset - kan simuleres, og modellen er også i stand til at gengive dynamik- og støjpræstationer med stor nøjagtighed. Blandt de AD3552R-egenskaber, som LTspice-softwaren simulerer, er følgende:

• Simulering af outputområde: DC-sweep-simulering er nyttig til at bekræfte udgangsspændingens spændvidde for en given konfiguration af parametre. Den tager også højde for de begrænsninger, der er pålagt af operationsforstærkerens headroom (toppen af området) og footroom (bunden), hvilket gør det let at forudse en eventuel mætning af udgangssignalet.
• Afstemning af trinvis respons: Den transiente simulering med en trinvis bølgeform er nyttig til at justere værdien af feedbackkondensatoren og TIA'ens udgangsfilter for at opnå den ønskede stigningstid, indreguleringstid og overskridelse, og den kan kombineres med en parametrisk sweep for at finde de optimale værdier for disse dele. Simuleringen tager også højde for forstærkerens og DAC'ens drevkapacitet for at estimere signalets svingningshastighed og stigningstid. (Bemærk, at denne værdi er et udgangspunkt, fordi simuleringscirkulæret ikke omfatter de parasitære virkninger af printkortet og komponenternes pakninger.)
• AC-båndbredde-simulering: AC Sweep-simuleringen er nyttig til at justere værdierne for feedbackkondensatoren og TIA's udgangsfilter i applikationer, hvor udgangssignalet er harmonisk.
• Simulering af støjtæthed: Dette gør det muligt at forudsige støjtætheden ved DAC'ens og TIA'ens udgang, både i 1/f-området og i det termiske støjområde. LTspice-modellen af AD3552R indfanger variationen i støjtætheden med koden og tager også højde for TIA's forstærkning, som øger støjen ved udgangen af den aktuelle DAC.

Du kan få mere at vide om LTspice i "Sådan bruges LTspice til at bestemme fotofølelsesstøjens ydeevne under design af følsomme instrumenter".

Øvelse, test, med ægte hardware

Simuleringer er yderst nyttige og nødvendige, men som enhver erfaren ingeniør ved, kan de ikke fuldt ud erstatte en evaluering i den virkelige verden, især ikke når faktorer som f.eks. parasitære elementer uden for enheden kan påvirke ydeevnen. For AD3552R opfyldes dette behov ved hjælp af EVAL-AD3552RFMCxZ, som fås i to varianter: EVAL-AD3552RFMC1Z for højere hastighed og EVAL-AD3552RFMC2Z for højere præcision (figur 4).

Figur 4: EVAL-AD3552RFMCxZ (venstre: øverste lag; højre: nederste lag) findes i to lignende versioner, hvoraf den ene er optimeret til hastighed og den anden til præcision. (Billedkilde: Analog Devices)

Softwaren til kortet bruger ADI's "Analysis, Control, Evaluation" (ACE) pakke, et desktop-program, der gør det muligt at evaluere og styre flere evalueringssystemer på tværs af ADI's produktportefølje. Applikationen består af en fælles ramme og individuelle komponentspecifikke plug-ins.

For AD3552R har ACE flere visninger til at styre forskellige aspekter af DAC'en. Når en visning åbnes første gang, oprettes der en ny fane øverst i hovedvinduet. AD3552R-plug-in'et producerer et hierarki af visninger: Board View, en Chip View, en Memory Map View og en Analysis View, der kombinerer en Waveform Generator View og en Vector Generator View (Figur 5).

Figur 5: ACE-plug-in'et til AD3552R producerer et hierarki af visninger fra en systemvisning på højt niveau ned til en analysevisning på basisniveau. (Billedkilde: Analog Devices)

• Board View viser et forenklet diagram af evalueringskortet, herunder nogle relevante stik og forbindelsen mellem chips.
• Chipvisningen viser et forenklet internt diagram af chippen, der viser grænsefladelogikken, DAC-kerne, præcisionsfeedbackmodstandene og de relevante pins for disse blokke.
• Visningen Hukommelseskort viser hele AD3552R's konfigurationsområde; dette område kan vises som en liste over registre eller som en liste over bitfelter.
• Waveform Generator visningen gør det muligt at tildele vektorer til kanalerne og starte eller stoppe bølgeformgenerering.
• Vektorgeneratorvisningen gør det muligt at definere eller indlæse bølgeformer, som senere kan tildeles DAC-kanalerne.

Ved hjælp af evalueringskortet og ACE-softwaren kan brugerne af AD3552R bekræfte de beslutninger, de har truffet via LTspice-simulatoren, og justere efter behov. Brugerne kan også træne enheden med dens mange registre og programmerbare funktioner og egenskaber.

Udforsk andre muligheder for dataindsamling

Mulighederne for stærkt programmerbare komponenter, der kan bruges til at skabe skalerbare, let optimerede, rekonfigurerbare signal-kædeplatforme, er ikke begrænset til enheder som AD3552R.

F.eks. er Analog Devices' ADAQ23878 en 18-bit, 15-MSPS µModule ADC-løsning med pin-strappable løsning med 18-bit, 15-MSPS. Denne løsning til højhastighedsdataindsamling forenkler og fremskynder udviklingscyklussen for præcisionsmålesystemer ved at fjerne en stor del af designbyrden i forbindelse med valg af komponenter, optimering og layout ved hjælp af en standard enhed.

Ved hjælp af system-in-package-teknologi (SIP) reducerer ADAQ23878 antallet af komponenter i slutsystemet ved at kombinere flere fælles signalbehandlings- og konditioneringsblokke i en enkelt enhed. Den omfatter en lavstøjs, fuldt differentiel ADC-driverforstærker, en stabil referencebuffer og en højhastigheds ADC (SAR) med 18-bit, 15 MSPS (successivt tilnærmelsesregister) med høj hastighed (Figur 6).

Figur 6: ADAQ23878 kombinerer signalbehandlings- og konditioneringsblokke i en enkelt enhed, hvilket minimerer behovet for eksterne komponenter. (Billedkilde: Analog Devices)

ADAQ23878 indeholder også de kritiske passive komponenter med overlegne tilpasnings- og driftskarakteristika, der opnås ved brug af ADI's iPassive-teknologi, som minimerer temperaturafhængige fejlkilder for optimal ydelse. Det lille fodaftryk på kun 9 mm × 9 mm, med 0,8 mm pitch og en 100-ball CSP BGA-pakning, muliggør instrumenter med mindre formfaktor uden at gå på kompromis med ydeevnen (Figur 7).

Figur 7: ADAQ23878's SIP-teknologi inkorporerer aktive og passive komponenter i en enkelt, letanvendelig enhed og muliggør samtidig minimering af driftrelaterede fejlkilder. (Billedkilde: Analog Devices)

Systemintegrationen løser mange designudfordringer, mens enheden stadig giver fleksibilitet i form af et konfigurerbart ADC-driverfeedbackloop for at muliggøre justeringer af forstærkning eller dæmpning samt fuldt differentiel eller single-ended-til-differential-indgang.

Det kan f.eks. være kernen i et komplet flowcytometer (se "Hurtig implementering af flowcytometerdesigns ved hjælp af dataindsamlingsmoduler med høj nøjagtighed") eller et strømmålesystem med stor rækkevidde med nøjagtighed, båndbredde og driftsevne, der kan sammenlignes med benchtop- og rackmonteret testudstyr til et produktionstestmiljø (Figur 8). Samtidig er løsningen lille nok til at kunne integreres i applikationer, der skal overvåges løbende.

Figur 8: Med passende applikationsspecifikke aktive og passive støttekomponenter fungerer ADAQ23878 som kernen i et dataindsamlingssystem, der giver præcis strømmåling over et bredt dynamisk område. (Billedkilde: Analog Devices)

Designet har en højpræcis måling af tre strømområder ved hjælp af en kombination af shuntmodstande, indbyggede forstærkere og ADAQ23878 μModulet. Denne løsning øger antallet af kanaler pr. kort på trods af størrelsesbegrænsninger, samtidig med at den mindsker de termiske udfordringer, letter systemets kalibreringsbyrde på grund af selvopvarmning og optimerer den samlede præcisionspræstation. Kortlayoutet anvender fireterminale shuntmodstande med en indbygget Kelvin-forbindelse, der reducerer temperaturkoefficienten af modstandseffekter (TCR) og giver bedre temperaturstabilitet sammenlignet med toterminale shuntmodstande (Figur 9).

Figur 9: Det komplette strømmålingssystem baseret på ADAQ23878 μModulet er mindre end de nødvendige stik. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

Designere af test- og måleudstyr kræver præcision, ydeevne og fleksibilitet, samtidig med at de skal have mulighed for nemt at omkonfigurere det grundlæggende design til at kunne betjene en bred vifte af anvendelsesmuligheder. Som det fremgår, har komponenter som AD3552R DAC mange programmerbare parametre, så de hurtigt og nemt kan tilpasses efter behov. Sammen med ADAQ23878 ADC'en og understøttet af værktøjer som LTspice og evalueringskort og software spiller AD35525 en nøglerolle i en platformbaseret tilgang til design af testsystemer, der giver den nødvendige fleksibilitet og ydeevne, samtidig med at den minimerer den tid, der kræves til rekonfiguration.