Sådan sparer du plads og udviklingstid ved design af systemer til præcis dataindsamling

Designere af systemer til industriel automatisering og sundhedspleje anvender i stigende grad avanceret teknologi til registrering, registrering af billed- og videooptagelse med henblik på digitalisering og analyse. Analysen er imidlertid kun så god som inputdataene, hvis erhvervelse er afhængig af højtydende, højdynamiske, præcise og stabile signalbehandlings- og konverteringsblokke. Design af disse blokke ved hjælp af metoder til diskrete kredsløb kræver betydelige designressourcer, plads på printpladen og tid, hvilket alt sammen øger de samlede omkostninger.

Samtidig skal designerne sikre, at deres slutsystemer forbliver konkurrencedygtige, hvilket betyder, at de skal sænke omkostningerne og markedsføringstiden så meget som muligt og samtidig sikre fremragende ydeevne.

I denne artikel beskrives kort et typisk system til dataindsamling og dets centrale elementer. Derefter introduceres et dataindsamlingsmodul (DAQ) fra Analog Devices Inc., der integrerer mange af disse kritiske elementer for at give en stabil 18-bit, 2 megasample per sekund (MS/s) ydeevne. Der introduceres også et evalueringskort for at hjælpe designere med at blive fortrolige med modulet og med at bruge det.

Elementer i et DAQ-system

Et typisk dataindsamlingssystem er vist i figur 1. Det interessante signal opfanges af en sensor, som udsender et elektrisk signal som reaktion på et fysisk fænomen. Sensorens udgange kan være single-ended eller differentielle og kan kræve en vis signalbehandling, f.eks. filtrering. For at opnå det størst mulige dynamiske område fra analog-til-digital-konverteren (ADC) skal signalet forstærkes, så det svarer til ADC'ens indgangsspændingsområde. Forstærkerens forstærkning og offset styres generelt af præcisionsmodstande, som skal tilpasses omhyggeligt af hensyn til dynamik og temperaturdrift. Temperaturafhængighed kræver normalt, at komponenterne befinder sig tæt fysisk på hinanden. Dynamiske forhold omfatter støj- og forvrængningsniveauer, som skal minimeres.

Figur 1: Et typisk DAQ-system indsamler data fra en sensor, konditionerer dem, optimerer signalamplituden til ADC'en og kommunikerer de digitale data til systemprocessoren. (Billedkilde: Analog Devices)

ADC'en med successivt approksimeringsregister (SAR) skal have tilstrækkelig dynamisk rækkevidde, angivet ved antallet af bits opløsning. Det kræver også en bufferet, stabil og ren spændingsreference.

Endelig skal de indsamlede data være tilgængelige via en kommunikationsinterface. Implementering af et sådant system til dataindsamling ved hjælp af diskrete komponenter kræver mere fysisk plads og resulterer ofte i en meget dårligere ydeevne end den, der opnås med en integreret enhed. Som et eksempel kan det nævnes, at ydelseskravene til en differentiel forstærker til at drive en ADC er sådan, at indgangs- og feedback modstandene på begge ben af forstærkerens indgang skal være nøje afstemt, da enhver ubalance vil reducere CMRR-forholdet (Common Mode Rejection Ratio). Ligeledes skal indgangsmodstandene være præcist tilpasset feedback modstandene for at indstille trinets forstærkning. Disse modstande skal også følges over temperatur, hvilket kræver, at de placeres tæt på hinanden. Desuden er det overordnede kredsløbslayout afgørende for at bevare signalintegriteten og minimere parasit responsen.

Det integrerede DAQ-modul sparer tid og plads

For at opfylde kravene til ydeevne og samtidig reducere størrelse og designtid kan designere bruge Analog Devices ADAQ4003BBCZ µModule system i pakke (SIP) som et alternativ til diskrete implementeringer (Figur 2). ADAQ4003 måler 7 x 7 mm og fokuserer på at integrere de mest almindelige dele af en signalkæde, herunder signalkonditionering og digitalisering, for at give en mere komplet signalkædeløsning med avanceret ydeevne. Dermed udfylder den hullet mellem standard diskrete komponenter og højt integrerede kundespecifikke IC'er for at løse behov for dataindsamling.

Figur 2: Et udsnit af en µModule SIP, som kombinerer flere almindelige signalbehandlingsblokke i en enkelt enhed, der kun måler 7 mm på en side. (Billedkilde: Analog Devices)

ADAQ4003 kombinerer en 18-bit SAR ADC med høj opløsning, der kører med op til 2 MS/s, en støjsvag, fuldt differentiel ADC-driverforstærker (FDA), en stabil spændingsreferencebuffer og alle de nødvendige kritiske passive enheder. Dens lille BGA-pakke (Ball Grid Array) med 49 kontaktpunkter opfylder kravene til kompakt formfaktor.

ADAQ4003 giver mere end en fire gange (4x) mindre printpladeareal sammenlignet med et diskret layout, som vist i figur 3.

Figur 3: ADAQ4003 (til venstre) med afmonteret dæksel sammenlignet med et identisk kredsløb, der er implementeret med diskrete komponenter, fylder mindre end en fjerdedel af overfladen. (Billedkilde: Analog Devices)

Der er mange fordele ved µModulet i forhold til den diskrete implementering. Mindre fodaftryk, komponenterne er fysisk tæt på hinanden for bedre temperatursporing samt reducerede parasitære effekter på grund af ledningsinduktans og kapacitans.

ADAQ4033's funktionelle blokdiagram viser de fire hovedkomponenter, der findes i ethvert system til dataindsamling (Figur 4).

Figur 4: ADAQ4003 funktionelle blokdiagram viser, hvor meget der er plads til i den 7 x 7 mm store BGA-pakning med 49 kontakpunkter. (Billedkilde: Analog Devices)

På trods af sin lille fysiske størrelse indeholder ADAQ4003 de kritiske passive komponenter ved hjælp af Analog Devices' iPassives-teknologi. Integrerede passive komponenter fremstilles på substrater, hvor der produceres flere passive netværk på samme tid. Fremstillingsprocessen fremstiller disse dele med stor præcision. F.eks. er modstandsarray-komponenterne tilpasset med en nøjagtighed på 0,005 %. Nærliggende komponenter, der ligger meget tæt på hinanden, er godt matchede i startværdi, i hvert fald meget bedre end diskrete passive komponenter. Implementeret på et fælles substrat vil komponentværdierne også følge bedre over temperatur, mekanisk stress og levetid på grund af komponentens integrerede struktur.

Som nævnt kan SAR 18-bit ADC'en clockes med op til 2 MS/s og fungerer alligevel uden manglende kodetilstande. Den præcise værdi og tilpasning af de passive komponenter sikrer en fremragende ydelse fra ADC'en. Den har et typisk signal/støj- og forvrængningsforhold (SINAD) på 99 decibel (dB) ved en forstærkningsindstilling på 0,454. Dens integrale ikke-linearitet er typisk 3 ppm (parts per million). Indgangsmodstandsmatrialet kan være ben-strapped, hvilket giver mulighed for forstærkningsindstillinger på 0,454, 0,909, 1,0 eller 1,9 for at tilpasse indgangen til ADC'ens fulde skalaområde og dermed maksimere dens dynamiske område. Tilpasningen af de kritiske komponenter resulterer i en forstærkningsfejldrift på ±0,5 ppm/C° og en offsetfejldrift på 0,7 ppm/C° i forstærkningsområdet 0,454.

ADC-blokken er forud for FDA-driveren med en CMRR på 90 dB på alle forstærkningsområder i differentiel konfiguration. Forstærkeren har et meget bredt common mode-indgangsområde, som afhænger af specifikke kredsløbskonfigurationer og forstærkningsindstillinger. FDA kan bruges som en differentiel forstærker, men kan også udføre single-ended til differentiel konvertering for single-ended indgange.

Der er et enkelt polet RC-filter, der er implementeret differentielt ved hjælp af interne komponenter mellem FDA-driveren og ADC'en. Dette er designet til at begrænse støjen ved ADC-indgangene og reducere virkningen af spændingstilbagefald fra den kapacitive DAC-indgang (digital-til-analog-konverter) i en SAR ADC.

ADAQ4003 indeholder også en referencebuffer, der er konfigureret med unity gain for at optimere den dynamiske indgangsimpedans af SAR ADC-referencenoden optimalt. Alle de nødvendige afkoblingskondensatorer til spændingsreferenceknuden og strømforsyningerne er også inkluderet. Disse afkoblingskondensatorer har en lav ækvivalent seriemodstand (ESR) og en lav ækvivalent serieinduktans (ESL). Det faktum, at de er indbygget i ADAQ4003, forenkler materialekartoteket yderligere.

Den digitale interface til ADAQ4003 bruger en seriel perifer interface (SPI), som er kompatibel med DSP, MICROWIRE og QSPI. Ved hjælp af en separat VIO-forsyning er output-interfacet kompatibelt med 1,8 volt, 2,5 volt, 3 volt eller 5 volt logik.

ADAQ4003 fungerer med et lavt samlet strømforbrug - kun 51,5 mW ved den maksimale clock-frekvens på 2 MS/s - og med lavere strømforbrug ved lavere clock-frekvenser.

ADAQ4003's fysiske layout hjælper designere med at opretholde signalintegritet og ydeevne ved at adskille de analoge og digitale signaler. Benlayout har analoge signaler til venstre og digitale signaler til højre, så designerne kan isolere følsomme analoge og digitale sektioner for at minimere krydsninger.

Kredsløbsmodeller

Analog Devices stiller simuleringsmodeller til rådighed og leverer en model for ADAQ4003 i den gratis LTspice-simulator. Den gør også en IBIS-model tilgængelig for andre kommercielle kredsløbssimulatorer.

LTspice indeholder et grundlæggende referencekredsløb med ADAQ4003, som er vist i figur 5. Enheden anvendes i en differentiel indgangskonfiguration, og indgangsmodstandene er strapped for at indstille FDA-forstærkningen til 0,454 ved at sætte indgangsmodstandene på 1,0 og 1,1 kΩ i serie. Modelens referencespændingsindstilling er 5 volt, og den bruger et 2 MS/s konverterings-clock .

Figur 5: ADI stiller LTspice-simuleringsmodeller til rådighed for ADAQ4003 med en differentiel indgangskonfiguration. (Billedkilde: Art Pini)

LTspice-modellen er et udgangspunkt for ethvert design, som kan verificeres yderligere ved hjælp af et evalueringskort.

Evalueringskort

Når du overvejer ADAQ4003, er det klogt at køre den igennem sine skridt ved hjælp af EVAL-ADAQ4003FMCZ-evalueringskortet. Dette sæt med flere kort omfatter evalueringskortet og et mezzaninkort med et feltprogrammerbart array. De fungerer sammen med Analog Devices EVAL-SDP-CH1Z systemdemonstrationsplatform. ADI leverer også Analysis/Kontrol/Evaluering (ACE) -demosoftware med produktspecifikke plugins, der giver brugeren mulighed for at udføre detaljerede produkttest, herunder harmonisk analyse og målinger af integral og differentiel ikke-linearitet.

Konklusion

For designere, der hurtigt skal udvikle højtydende DAQ-systemer og samtidig holde størrelse og omkostninger på et minimum, er ADAQ4003 µModulet en god mulighed. Enheden reducerer udviklingscyklussen for et præcisionsmålesystem ved at fjerne udfordringerne ved design af signalkæden i forbindelse med valg, optimering og layout af diskrete komponenter. ADAQ4003 forenkler designprocessen yderligere ved at levere en enkelt komponent med en optimeret, pladsbesparende dataindsamlingsløsning som grundlag for et brugerdefineret design.