Hur man sparar utrymme och utvecklingstid när man konstruerar noggranna system för datainsamling

Konstruktörer av system för industriell automatisering och hälsovård använder sig allt oftare av avancerad teknik för avkänning, detektering och insamling av ljud och bild för digitalisering och analys. Analysen är dock bara så bra som den inmatade informationen, och insamlingen förlitar sig på högeffektiva, noggranna och stabila block för signalbehandling och omvandling med ett högt dynamiskt område. Att konstruera dessa block med hjälp av diskreta kretsar kräver betydande konstruktionsresurser, plats på kretskortet och tid, vilket ökar den totala kostnaden.

Samtidigt måste konstruktörerna se till att deras slutsystem förblir konkurrenskraftiga, vilket innebär att de måste sänka kostnaderna och tiden till marknadsintroduktion så mycket som möjligt samtidigt som de garanterar enastående prestanda.

Artikeln beskriver kortfattat ett typiskt system för datainsamling och dess centrala delar. Därefter presenteras en datainsamlingsmodul (DAQ) från Analog Devices Inc. som integrerar många av dessa viktiga delar för att ge stabil prestanda på 18 bitar och 2 MS/s. Ett utvärderingskort introduceras också för att hjälpa konstruktörer att bekanta sig med modulen och hur den ska användas.

Delar av ett system för datainsamling

Ett typiskt system för datainsamling visas i figur 1. Den intressanta signalen fångas upp av en givare som matar ut en elektrisk signal som svar på någon fysisk företeelse. Givarens utgångar kan vara enkelriktade eller differentiella och kan kräva viss signalbehandling, som t.ex. filtrering. För att få ett maximalt dynamiskt område från analog till digitalomvandlaren (ADC) måste signalen förstärkas för att matcha ADC:ns inspänningsområde. Förstärkningsförstärkning och offset styrs i allmänhet av precisionsmotstånd som måste anpassas noggrant med hänsyn till dynamik och temperaturavvikelser. Temperaturberoenden kräver vanligtvis att komponenterna är placerade i närheten av varandra. Dynamiska förhållanden inkluderar buller- och distorsionsnivåer som måste minimeras.

Figur 1: Ett typiskt system för datainsamling samlar in data från en givare, behandlar den, optimerar signalamplituden för ADC:n och kommunicerar denna digitala data till systemets processor. (Bildkälla: Analog Devices)

ADC:n med ett successivt approximationsregistret (SAR) måste ha ett tillräckligt dynamiskt område, vilket anges av antalet bitar i upplösningen. Den kräver även en buffrad, stabil och ren spänningsreferens.

Slutligen måste de insamlade uppgifterna vara tillgängliga via ett kommunikationsgränssnitt. Att implementera ett sådant datainsamlingssystem med hjälp av diskreta komponenter kräver mer fysiskt utrymme och resulterar ofta i mycket sämre prestanda än vad som erhålls från en integrerad enhet. Som exempel kan nämnas att prestandakraven för en differentialförstärkare för att driva en ADC är sådana att ingångs- och återkopplingsmotstånden på båda benen av förstärkarens ingång måste vara väldigt lika, eftersom varje obalans kommer att minska CMRR-förhållandet (Common Mode Rejection Ratio). På samma sätt måste ingångsmotstånden anpassas exakt till återkopplingsmotstånden för att ställa in stegets förstärkning. Dessa motstånd måste även följa temperaturen, vilket kräver att de placeras i närheten av varandra. Den övergripande kretslayouten är dessutom avgörande för att bevara signalens integritet och minimera parasitresponsen.

Den integrerade modulen för datainsamling sparar tid och utrymme

För att uppfylla prestandakraven och samtidigt minska storlek och konstruktionstid kan konstruktörer använda SIP-µModule ADAQ4003BBCZ från Analog Devices, som ett alternativ till implementationer med diskreta komponenter (figur 2). ADAQ4003 har måttet 7 x 7 mm och fokuserar på att integrera de vanligaste delarna i en signalkedja, inklusive signalbehandling och digitalisering, för att ge en mer komplett signalkedjelösning med avancerad prestanda. På så sätt fyller den gapet mellan diskreta standardkomponenter och högintegrerade kundspecifika integrerade kretsar för att lösa behoven av datainsamling.

Figur 2: En sprängskiss av en µModule SIP som kombinerar flera vanliga signalbehandlingsblock i en enda enhet som endast är 7 mm på en sida. (Bildkälla: Analog Devices)

ADAQ4003 kombinerar en högupplöst SAR ADC med 18 bitar och en hastighet på upp till 2 MS/s, en lågbrusig, helt differentiell ADC-drivförstärkare (FDA), en stabil spänningsreferensbuffert och alla nödvändiga kritiska passiva enheter. Den lilla BGA-kapslingen (Ball Grid Array) med 49 kontakter uppfyller kraven på ett kompakt format.

ADAQ4003 ger en minskning på mer än fyra gånger (4x) av kretskortets yta jämfört med en diskret layout, vilket visas i figur 3.

Figur 3: ADAQ4003 (till vänster) med avlägsnat lock jämfört med en identisk krets som är implementerad med diskreta komponenter och tar upp mindre än en fjärdedel av ytan. (Bildkälla: Analog Devices)

Fördelarna med µModule jämfört med en implementering med diskreta komponenter är många. Mindre format, komponenterna är placerade fysiskt nära varandra för en bättre temperaturspårning och minskade parasitära effekter på grund av ledningsinduktans och restkapacitans.

Blockdiagrammet för ADAQ4033 visar de fyra nyckelkomponenter som finns i alla system för datainsamling (figur 4).

Figur 4: Blockdiagram för ADAQ4003 som visar hur mycket som ryms i BGA-kapslingen på 7 x 7 mm med 49 stift. (Bildkälla: Analog Devices)

Trots sin lilla fysiska storlek innehåller ADAQ4003 kritiska passiva komponenter med hjälp av tekniken iPassives från Analog Devices. Inbyggda passiva element tillverkas på substrat där flera passiva nätverk tillverkas samtidigt. Tillverkningsprocessen producerar dessa delar med stor precision. Komponenterna är exempelvis matchade i motståndsmatrisen med en noggrannhet på 0,005 %. Angränsande komponenter, med väldigt litet mellanrum, är väl matchade i startvärde, definitivt mycket bättre än diskreta passiva komponenter. Genom att komponenterna implementeras på ett gemensamt substrat kommer de också att ha bättre temperaturspårning, och tåla mekanisk belastning och åldrande under hela livstiden bättre tack vare komponentens integrerade struktur.

Som nämnts kan SAR AFC:n med 18 bitar klockas med upp till 2 MS/s, men fungerar ändå utan några missade kodlägen. De passiva komponenternas exakta värde och matchning säkerställer en utmärkt prestanda från ADC:n. Den har ett typiskt signal-brusförhållande och distorsion (SINAD) på 99 decibel (dB) vid en förstärkningsinställning på 0,454. Dess integrerade icke-linjäritet är vanligtvis 3 ppm. Ingångsresistorns matris kan vara stiftkopplad, vilket möjliggör förstärkningsinställningar på 0,454, 0,909, 1,0 eller 1,9 för att matcha ingången till ADC:ns fullskaliga område och därmed maximera dess dynamiska område. Matchningen av de kritiska komponenterna resulterar i en avdrift med förstärkningsfel på ± 0,5 ppm/C° och en avdrift vid offsetfel på 0,7 ppm/C° inom förstärkningsområdet 0,454.

ADC-blocket föregås av en FDA-drivenhet med en CMRR på 90 dB för alla förstärkningsområden i den differentiella konfigurationen. Förstärkaren har ett mycket brett intervall för ingångar i common mode som beror på specifika kretsar och förstärkningsinställningar. FDA:n kan användas som en differentialförstärkare, men kan också utföra omvandlingen från enkelriktad till differentiell för enkelriktade ingångar.

Det finns ett enpoligt RC-filter, som implementeras differentiellt med hjälp av interna komponenter mellan FDA-drivenheten och ADC:n. Den är utformad för att begränsa bruset vid ADC-ingångarna och minska effekten av spänningsåterkopplingar som kommer från den kapacitiva DAC-ingången (digital-till-analogomvandlare) i en SAR ADC.

ADAQ4003 innehåller även en referensbuffert som är konfigurerad med enhetlig förstärkning för att driva den dynamiska ingångsimpedansen för SAR ADC-referensnoden optimalt. Alla nödvändiga avkopplingskondensatorer för spänningsreferensnoden och strömförsörjningen ingår också. Dessa avkopplingskondensatorer har en låg ekvivalent serieresistans (ESR) och en låg ekvivalent serieinduktans (ESL). Det faktum att de är inbyggda i ADAQ4003 förenklar materialförteckningen ytterligare.

Det digitala gränssnittet för ADAQ4003 använder ett seriellt perifert gränssnitt (SPI) som är kompatibelt med DSP, MICROWIRE och QSPI. Genom att använda en separat VIO-försörjning är utgångsgränssnittet kompatibelt med logik på 1,8 V, 2,5 V, 3 V och 5 V.

ADAQ4003 arbetar med låg total effektförlust - endast 51,5 mW vid maximal klockfrekvens på 2 MS/s, och med lägre effektförlust vid lägre klockfrekvenser.

Den fysiska layouten hos ADAQ4003 hjälper konstruktörer att upprätthålla signalintegriteten och prestandan genom att separera de analoga och digitala signalerna. Stiftbeskrivningen har analoga signaler till vänster och digitala signaler till höger, vilket gör det möjligt för konstruktörer att isolera känsliga analoga och digitala delar för att minimera överhörning.

Kretsmodeller

Analog Devices har simuleringsmodeller tillgängliga och tillhandahåller en modell för ADAQ4003 i sin kostnadsfria LTspice-simulator. De har även IBIS-modell tillgänglig för andra kommersiella kretssimulatorer.

LTspice innehåller en grundläggande referenskrets med ADAQ4003, som visas i figur 5. Enheten används i en differentiell ingångskonfiguration och ingångsmotstånden är kopplade för att ställa in FDA-förstärkningen till 0,454 genom att sätta ingångsmotstånden på 1,0 och 1,1 kΩ i serie. Modellens inställning för referensspänning är 5 V och den använder en konverteringsklocka på 2 MS/s.

Figur 5: ADI tillhandahåller simuleringsmodeller av ADAQ4003 för LTspice med en differentiell ingångskonfiguration. (Bildkälla: Art Pini)

LTspice-modellen är en utgångspunkt för varje konstruktion som kan verifieras ytterligare med hjälp av ett utvärderingskort.

Utvärderingskort

När du funderar på ADAQ4003 är det klokt att testa den med hjälp av utvärderingskortet EVAL-ADAQ4003FMCZ. Denna uppsättning av flera kort inkluderar utvärderingskortet och ett tilläggskort för fältprogrammerbara matriser. Dessa fungerar med systemdemonstrationsplattformen EVAL-SDP-CH1Z från Analog Devices. ADI tillhandahåller även demonstrationsprogrammet ACE (Analysis/Control/Evaluation) med produktspecifika plugin-program som gör det möjligt för användaren att utföra detaljerad produkttestning, inklusive analys av harmoniska övertoner och mätningar av integral och differentiell icke-linjäritet.

Sammanfattning

För konstruktörer som snabbt vill utveckla högeffektiva system för datainsamling med minimal storlek och kostnad är ADAQ4003 µModule ett bra alternativ. Enheten förkortar utvecklingscykeln för ett noggrant mätsystem genom att ta bort utmaningarna med konstruktion av signalkedjan i form av val, optimering och layout av diskreta komponenter. ADAQ4003 förenklar designprocessen ytterligare genom att tillhandahålla en enda komponent med en optimerad, utrymmeseffektiv datainsamlingslösning som grund för en anpassad design.