Forenkling af signalkædens dataindsamlingsdesign med standardiserede, tilpassede løsninger

Signalkæder er en integreret del af mange elektroniske systemer til kommunikation, biomedicinsk udstyr, industriel automatisering, instrumentering og sensorer og mange andre anvendelser. Systemarkitekter og hardwaredesignere står over for talrige logistiske og tekniske udfordringer, når de skal afveje specifikke krav med behovet for at mindske fodaftrykket, minimere antallet af designiterationer og fremskynde markedsføringen. Disse udfordringer taler for mere standardiserede, integrerede løsninger, som stadig kan tilpasses til at opfylde applikationens behov.

Signalkæder omfatter typisk digitale og analoge komponenter som f.eks. analog-til-digital-konvertere (ADC'er), operationsforstærkere, digitale isolatorer og applikationsspecifikke komponenter. Ingeniører og produktdesignere, der ønsker at skabe optimale løsninger, skal navigere gennem flere kompromiser ved valg af komponenter, herunder støj, strømforbrug, båndbredde og omkostninger.

Mange designere skaber signalkæder til dataindsamling til applikationer som automatiseret testudstyr, luftfart, maskinautomatisering og, i sundhedssektoren, overvågning, diagnostik og billedsystemer. Hardwaretrends favoriserer avanceret præcision i datakonvertering og øget robusthed ved komplekse designs, som ofte har begrænsninger i forhold til varme og printkorttæthed.

At opnå højere kapacitet, minimere systemets strømforbrug og beskytte og drive ADC-indgange kan skabe designkonflikter i forhold til at bruge højt integrerede kundespecifikke integrerede kredsløb (IC'er) eller diskrete standardkomponenter, der er mere omkostningseffektive. Begge tilgange øger forsknings- og udviklingsomkostningerne ved udvikling af højtydende, præcise signalkædeblokke til slutanvendelser. Den kundespecifikke tilgang er normalt dyrere, men diskrete enheder vil sandsynligvis forringe deres ydeevne over kredsløbets driftstemperatur og levetid.

Analog Devices, Inc. (ADI) løser store problemer med design af signalkæder til dataindsamling ved at udnytte heterogen integration via SiP-teknologi (system-in-package) for at opnå højere tæthed, øget funktionalitet, forbedret ydeevne og længere middeltid til svigt. ADI's præcisionssignalkæde μModule®-løsninger giver en kompakt, tilpasselig og integreret løsning, der forenkler design, forbedrer ydeevnen og sparer udviklingstid.

Forbedring af tæthed uden fald i ydeevne

Et vigtigt mål for avancerede præcisionssignalkæder er at forbedre signalkædens tæthed uden at påvirke ydeevnen negativt, når designere forsøger at få plads til flere kanaler i den samme formfaktor eller anvender en ADC-per-kanal-tilgang.

Signalkæder til dataindsamling skal ofte interagere med flere sensorer med forskellige common-mode-spændinger og indgangssignaler. Almindelige problemer omfatter ubalance i kredsløbet eller en uoverensstemmelse i feedback- og forstærkningsmodstande, der kan resultere i uønsket signal/støjforhold (SNR), forvrængning, forstærkningsfejl og indgangsafvisningsforhold.

ADI's præcisionssignalkæde μModul-løsninger integrerer flere analoge og digitale komponenter i et enkelt modul ved hjælp af virksomhedens integrerede passivteknologi – iPassives – med ADI's signalbehandlings-IC'er og SiP'er. iPassives blev udviklet hos ADI for flere år siden for at overvinde tidligere tiders begrænsninger og kompleksitet ved at anvende diskrete passive komponenter, der fremstilles separat og forbindes på et printkort. Det giver udviklere et fleksibelt designværktøj til at skabe robuste systemløsninger med klassens bedste ydeevne og korte udviklingscyklusser.

Med μModul-løsninger kan designere skabe, hvad der ser ud til at være en enkelt enhed til at levere funktionalitet, der tidligere krævede flere diskrete komponenter til løsninger på kortniveau. Denne tilgang eliminerer uoverensstemmelser og muliggør mindre fodaftryk.

Hurtigere tid til markedet

Systemdesignere kan opnå højere integrationsniveauer og hurtigere markedsintroduktion, samtidig med at de sikrer forbedret hastighed og reduceret strømforbrug til en overkommelig pris. μModultilgangen giver mulighed for komplette løsninger pakket i rumligt effektive fodaftryk og optimerer signalkædens ydeevne og pålidelighed.

ADI's præcisionssignalkæde μModul-løsninger sigter mod at øge tætheden i en mindre formfaktor ved at kombinere førsteklasses enheder og avancerede 2,5D/3D-samlingsprocesser, samtidig med at der opretholdes intelligent og effektiv styring af systemkomponenterne. Ved at kombinere funktioner som forstærkning, filtrering og ADC i et enkelt modul elimineres behovet for at lave en kompleks signalkædeløsning til dataindsamling med individuelle komponenter. Denne tilgang reducerer sammenkoblingsparasitter som induktans, kapacitans og modstand betydeligt.

Med foruddesignede, fremstillede, karakteriserede og testede kerner kan ADI's præcisionssignalkæde μModuler reducere designtiden betydeligt. De leveres også med prækonfigurerede signalkæder og ADI-supportressourcer, herunder evalueringskort og softwareudviklingskit.

Designere kan skræddersy signalkædens parametre og egenskaber til specifikke applikationskrav ved hjælp af intelligent opdeling af komponenter. Justerbar forstærkning, båndbredde, filtreringsmuligheder og andre brugertilpassede funktioner resulterer i en alsidig platform, der løser forskellige designudfordringer.

I stedet for at kæmpe med kompliceret implementering på kredsløbsniveau kan systemdesignere med μModuler fokusere på design og funktionalitet på systemniveau, hvilket giver mulighed for hurtigere prototyping og systemvalidering og hurtigere markedsintroduktion for innovative applikationer ved at fremme en mere aggressiv planlægning af processer fra systemdefinition til levering af dele.

Passive komponenter, der påvirker ydeevne og udbytte under fremstillingen, er integreret i μModule-enheden, hvilket resulterer i lavere sekundære omkostninger, som f.eks. samling af pick-and-place, tab af system-PCB-udbytte, support til returnering i marken og kalibrering af signalkæden. Integrering af passive komponenter i PCB-substratet reducerer temperaturafhængige fejlkilder og minimerer samtidig antallet af diskrete komponenter og sammenkoblinger på et PCB, hvilket i sidste ende reducerer antallet af loddefuger og forbedrer pålideligheden.

ADI's ADAQ7980 (figur 1) og ADAQ7988 μModuler er 16-bit ADC-dataindsamlingssystemer, der integrerer fire signalbehandlings- og konditioneringsblokke i en 5 mm x 4 mm LGA-pakke. Disse systemer understøtter forskellige anvendelser, herunder automatiseret testudstyr, batteridrevet instrumentering, kommunikation, processtyring og medicinske instrumenter. Enhederne indeholder de mest kritiske passive komponenter og eliminerer mange af de designudfordringer, der er forbundet med traditionelle signalkæder, som bruger SAR- ADC'er (successive approximation register). Derudover kan flere enheder kædes sammen på en enkelt 3-lederbus med et kompatibelt serielt perifert interface (SPI). Alle aktive komponenter i SiP'en er designet af ADI, herunder:

• 16-bit SAR ADC med høj nøjagtighed og lavt strømforbrug
• ADC-driver med lav effekt, høj båndbredde og høj indgangsimpedans
• Stabil referencebuffer med lavt strømforbrug
• En effektiv strømstyringsblok

Figur 1: ADI's ADAQ7980 μ-modul (Kilde: Analog Devices, Inc.)

Anvendelse af præcisionssignalkæde μModuler

ADI's portefølje af præcisionssignalkæde-dataindsamlingsmoduler understøtter en bred vifte af applikationer i forskellige brancher, som f.eks:

Kommunikation. ADAQ8092 er et 14-bit, 105 MSPS, højhastigheds, tokanals dataindsamlings-μModul til forskellige demodulator- og dataindsamlingsapplikationer, såsom transceivere, mobilbasestationer og netværksinfrastruktur. Enheden indeholder signalbehandling, en ADC-driver, en spændingsreference og en ADC i en enkelt pakke. Adskillelse af RF og digitale kredsløb mindsker effektivt elektromagnetisk interferens fra digitale modstykker til støjfølsom RF-elektronik.

Enheden udgør en komplet signalkæde, der integrerer alle aktive og iPassives-komponenter i et fodaftryk, der er seks gange mindre end en sammenlignelig diskret løsning. Indbyggede afkoblingskondensatorer til strømforsyningen forbedrer strømforsyningens afvisningsevne. ADAQ8092 arbejder med 3,3 V til 5 V analog og 1,8 V digital forsyning.

Industriel automatisering. ADAQ7768-1 er et 24-bit præcisionsdataindsamlingsmodul, der indkapsler signalbehandlings-, konverterings- og behandlingsblokke. Enheden understøtter forskellige input-typer, herunder IEPE-sensorer, resistive broer, spændings- og strøminput, til tilstandsbaseret overvågning (CbM), der bruger sensorer til at etablere tendenser, forudsige fejl, beregne aktivernes levetid og sikre menneskers sikkerhed.

Brugere kan konfigurere ADAQ7768-1 til at fungere under to enhedskonfigurationsmetoder ved at ændre registrene via dens serielle perifere interface (SPI) eller en simpel hardware ben-strapping-metode. Syv ben konfigurerbare forstærkningsindstillinger giver ekstra dynamik i systemet og forbedret støj i signalkæden med indgangssignaler af lavere amplitude.

Automotiv testing. ADAQ23878 er velegnet til Hardware in the Loop (HiL) – en digital tvillingeteknik, der bruges til at teste komplekse realtidssystemer, f.eks. elektroniske styreenheder (ECU'er), servostyringssystemer, affjedringssystemer, batteristyringssystemer eller andre delsystemer i køretøjer. Den kan også bruges til bl.a. automatisk testudstyr og ikke-destruktiv test af akustiske emissioner.

ADAQ23878 kombinerer flere signalbehandlings- og konditioneringsblokke i en enkelt enhed, herunder en FDA med lav støj, en stabil referencebuffer og en højhastigheds 18-bit, 15 MSPS SAR ADC. Dens lille fodaftryk, 9 mm × 9 mm, 0,8 mm benafstand, 100-kontaktpunkter chip scale-pakke kontaktpunkt-array (CSP_BGA) muliggør mere kompakte formfaktorinstrumenter uden at gå på kompromis med ydeevnen. En seriel LVDS (low voltage differential signaling) digital grænseflade med en eller to baners udgangstilstande giver brugerne mulighed for at optimere grænsefladens datahastighed til hver enkelt applikation.

Konklusion

Digital transformation og automatisering driver efterspørgslen efter løsninger til dataindsamling i signalkæden, der er optimeret til krævende anvendelser inden for elektrificering, bilindustrien, digital sundhed, instrumentering, intelligent industri, energi og bæredygtighed. ADI's præcisionssignalkæde μModuler giver designere en optimal balance mellem integration og fleksibilitet uden at gå på kompromis med signalkædens ydeevne. Eliminering af mange diskrete komponenter reducerer risikoen for redesign af systemet, forenkler systemets materialeliste og kan resultere i en kortere tid til markedet og reducerede udviklingsomkostninger.