Förenklad konstruktion av signalkedjan för datainsamling med standardiserade, anpassningsbara lösningar

Signalkedjor är en väsentlig del i många elektroniska kommunikationssystem, biomedicinsk utrustning, industriell automation, instrumentering och givare samt i många andra tillämpningar. Systemarkitekter och hårdvarukonstruktörer står inför många logistiska och tekniska utmaningar när de ska balansera specifika krav mot behovet av att minska storleken, minimera antalet konstruktionsiterationer och förkorta tiden till marknaden. Utmaningarna talar för mer standardiserade, integrerade lösningar som fortfarande kan anpassas för att uppfylla tillämpningsbehoven.

Signalkedjor innehåller vanligtvis digitala och analoga komponenter, som t.ex. analog- till digitalomvandlare (ADC), operationsförstärkare, digitala isolatorer och komponenter för specifika tillämpningar. Ingenjörer och produktutvecklare som vill skapa optimala lösningar måste hantera många olika avvägningar vid val av komponenter, bland annat när det gäller störningar, strömförbrukning, bandbredd och kostnad.

Många konstruktörer skapar signalkedjor för datainsamling i tillämpningar som t.ex. automatiserad testutrustning, flygindustri, maskinautomation och, inom sjukvården, övervakning, diagnostik och bildsystem. Hårdvarutrender gynnar avancerad prestanda för noggrann dataomvandling och ökad robusthet framför komplexa konstruktioner, som ofta begränsas av värmekapacitet och kretskortets densitet.

Att uppnå högre genomströmning, minimera systemets strömförbrukning och skydda och driva ingångar på analog- till digitalomvandlare kan skapa konstruktionsbekymmer jämfört med att använda högintegrerade kundspecifika integrerade kretsar eller separata standardkomponenter som är mer kostnadseffektiva. Båda tillvägagångssätten driver upp kostnaderna för forskning och utveckling vid utveckling av högeffektiva, noggranna signalkedjeblock för sluttillämpningar. Det kundspecifika tillvägagångssättet är vanligtvis dyrare, men effektiviteten i separata enheter försämras sannolikt i takt med kretsens drifttemperatur och livslängd.

Analog Devices, Inc. (ADI) löser stora problemen vid konstruktion av signalkedjor för datainsamling genom att utnyttja heterogen integration via SiP-teknik (system-in-package) för att uppnå högre densitet, ökad funktionalitet, förbättrad prestanda och längre medeltid till fel. De noggranna signalkedjorna μModule ® från ADI är en liten, anpassningsbar och integrerad lösning som förenklar konstruktionen, förbättrar prestandan och sparar utvecklingstid.

Förbättrad densitet utan prestandaförluster

Ett viktigt mål för avancerade noggranna signalkedjor är att förbättra densiteten i signalkedjan utan att försämra prestandan, eftersom konstruktörer försöker få in fler kanaler i samma format eller använder en analog- till digitalomvandlare per kanal.

Signalkedjor för datainsamling måste ofta interagera med många givare med olika common mode-spänningar och insignaler. Vanliga problem är obalans i kretsen eller felmatchningar i återkopplings- och förstärkningsresistorer som kan medföra oönskade signal-brusförhållanden (SNR), oönskad distorsion, förstärkningsfel och oönskade avvisningsförhållanden för ingångarna.

Den noggranna signalkejdan μModule från ADI integrerar flera analoga och digitala komponenter i en enda modul och använder företagets integrerade teknik för passiva kretsar – iPassives – med signalbehandlingskretsar och SiP från ADI. iPassives utvecklades hos ADI för flera år sedan för att hantera tidigare begränsningar och svårigheter med att använda separata passiva komponenter som tillverkats separat och anslöts på ett kretskort. Tekniken förser utvecklare med ett flexibelt konstruktionsverktyg för att skapa robusta systemlösningar med förstklassig prestanda och korta utvecklingstider.

Med μModule-lösningar kan konstruktörer skapa vad som ser ut som en enda enhet för att leverera funktionalitet som tidigare krävde lösningar med flera separata komponenter på kretskortsnivå. Tillvägagångssättet eliminerar matchningsfelen och möjliggör ett mindre format.

Snabbare marknadsintroduktion

Systemkonstruktörer kan uppnå högre integrationsnivåer och snabbare marknadsintroduktion samtidigt som de säkerställer högre hastigheter och lägre strömförbrukning till ett överkomligt pris. Med μModule kan kompletta lösningar paketeras i små utrymmeseffektiva format och signalkedjans prestanda och tillförlitlighet optimeras.

De noggranna signalkedjorna μModule från ADI syftar till att öka densiteten i ett mindre format genom att kombinera förstklassiga enheter och avancerade 2,5- och 3-dimensionella monteringsprocesser samtidigt som en intelligent och effektiv hantering av systemets komponenter bibehålls. Genom att kombinera funktioner som t.ex. förstärkning, filtrering och analog- till digitalomvandling i en enda modul elimineras behovet av att skapa en avancerad signalkedja för datainsamling bestående av enskilda komponenter. Tillvägagångssättet minskar de parasitära effekterna vid sammankoppling, som t.ex. sammankopplingens induktans, kapacitans och resistans.

Med förkonstruerade, tillverkade, karakteristiska och testade kärnor kan ADI:s noggranna signalkedja μModule minska konstruktionstiden avsevärt. De levereras även med förkonfigurerade signalkedjor och supportresurser från ADI, inklusive utvärderingskort och utvecklingssatser för mjukvara.

Konstruktörer kan specialanpassa signalkedjans parametrar och egenskaper för specifika tillämpningskrav genom intelligent uppdelning av komponenter. Justerbar förstärkning, bandbredd, filtreringsalternativ och andra anpassningsbara funktioner resulterar i en mångsidig plattform som kan hantera olika typer av konstruktionsutmaningar.

Istället för att kämpa med komplicerad implementering på kretsnivå kan μModule hjälpa systemkonstruktörer att fokusera på konstruktion och funktionalitet på systemnivå och på så sätt möjliggöra snabbare prototyptillverkning och systemvalidering samt snabbare marknadsintroduktion för innovativa tillämpningar genom att främja en mer aggressiv planering av processer, från systemdefinition till komponentleverans.

Passiva komponenter som påverkar prestanda och bestyckning vid tillverkningen är integrerade i μModule-enheten, vilket leder till lägre sekundära kostnader som t.ex. plockning och placering vid montering, förluster vid bestyckning av systemkretskort, support vid reklamationer på fältet och kalibrering av signalkedjan. Integrering av passiva komponenter i mönsterkortets substrat minskar temperaturberoende felkällor samtidigt som antalet separata komponenter och sammankopplingar på kretskortet minimeras, vilket i slutänden minskar antalet lödpunkter och förbättrar tillförlitligheten.

μModule ADAQ7980 (figur 1) och ADAQ7988 från ADI är ett 16-bitars datainsamlingssystem för analog- till digitalomvandling som integrerar fyra block för signalbearbetning och -behandling i en LGA-kapsling med måtten 5 x 4 mm. Systemen har stöd för olika tillämpningar, inklusive automatiserad testutrustning, batteridriven instrumentering, kommunikation, processtyrning och medicinska instrument. Enheterna innehåller de viktigaste passiva komponenterna, vilket eliminerar många konstruktionsutmaningar som förknippas med traditionella signalkedjor som använder analog- till digitalomvandlare med successiv approximation (SAR). Flera enheter kan dessutom seriekopplas med ett kompatibelt seriellt gränssnitt för kringutrustning (SPI) i en enda buss med tre ledare. Alla aktiva komponenter i SiP:en är konstruerade av ADI, inklusive:

• 16-bitars analog- till digitalomvandlare med successiv approximation, hög noggrannhet och låg strömförbrukning
• Drivkretsar för analog- till digitalomvandlare med låg strömförbrukning, hög bandbredd och hög ingångsimpedans
• Stabil referensbuffert med låg strömförbrukning
• Ett effektivt block för strömhantering

Figur 1: ADAQ7980 μModule från ADI (Källa: Analog Devices, Inc.)

Tillämpning av den noggranna signalkedjan μModule

Sortimentet med den noggranna signalkedjan μModule för datainsamling från ADI stödjer många tillämpningar i olika branscher som t.ex.:

Kommunikation. ADAQ8092 μModule är en 14-bitars datainsamlingsmodul för olika demodulator- och datainsamlingstillämpningar med 105 MSPS, hög hastighet och två kanaler för användning i t.ex. transceivrar, basstationer för mobiltelefoni och nätverksinfrastruktur. Enheten innehåller signalbehandling, en drivkrets för analog- till digitalomvandlare, en spänningsreferens samt en analog- till digitalomvandlare i en enda kapsling. Genom att separera de digitala kretsarna och RF-kretsarna minskas de elektromagnetiska störningar som orsakas av digitala motsvarigheter till störningskänslig RF-elektronik på ett effektivt sätt.

Enheten bildar en komplett signalkedja som integrerar alla komponenter, både aktiva och iPassives, på en yta som är sex gånger mindre än en jämförbar separat lösning. Inbyggda avkopplingskondensatorer för strömförsörjningen förbättrar strömförsörjningens avvisningsprestanda. ADAQ8092 drivs med en strömförsörjning på 3,3 till 5 V för den analoga delen och 1,8 V för den digitala.

Industriautomation. ADAQ7768-1 μModule är en 24-bitars noggrann datainsamlingsenhet som innehåller block för signalbehandling, omvandling och bearbetning. Enheten har stöd för olika ingångstyper, inklusive IEPE-givare, resistiva bryggor, ingångar för spänning och ström, för tillståndsbaserade övervakningstillämpningar (CbM) som använder givare för att fastställa trender, förutsäga fel, beräkna tillgångars livslängd och garantera människors säkerhet.

Användaren kan konfigurera arbetssättet för ADAQ7768-1 med två olika metoder för enhetskonfiguration genom att ändra registren via det seriella gränssnittet för kringutrustning (SPI) eller genom en enkel bygling i hårdvaran. Förstärkningsinställningarna kan konfigureras via sju stift och skapar ytterligare dynamik i systemet samt förbättrad störningseffektivitet i signalkedjan för insignaler med lägre amplitud.

Testning av fordon. ADAQ23878 är lämplig för HiL (Hardware in the Loop) - en teknik med digitala tvillingar som används för att testa avancerade realtidssystem som t.ex. elektroniska styrenheter (ECU), servostyrningssystem, fjädringssystem, batterihanteringssystem och andra delsystem i fordon. Den kan även användas för bland annat automatisk testutrustning och testtillämpningar för icke-förstörande akustisk emission.

ADAQ23878 kombinerar flera block för signalbearbetning och -behandling i en enda enhet, inklusive en FDA med lågt brus, en stabil referensbuffert och en 18-bitars analog- till digitalomvandlare med successiv approximation för höga hastigheter med 15 MSPS. Det lilla formatet, 9 × 9 mm och 0,8 mm stiftavstånd i en CSP_BGA-kapsling med 100 kulor (chip scale package ball grid array) möjliggör instrument med ett mindre format utan att prestandan försämras. Ett seriellt gränssnitt för LVDS (Low Voltage Differential Signaling) med lägen för en eller två utgående banor gör det möjligt att optimera gränssnittets datahastighet för respektive tillämpning.

Sammanfattning

Digital omvandling och automatisering driver efterfrågan på lösningar för datainsamling i signalkedjan som är optimerade för krävande tillämpningar inom elektrifiering, fordonsindustri, digital hälsa, instrumentering, smart industri, energi och hållbarhet. De noggranna signalkedjorna μModule från ADI ger konstruktörer en optimal balans mellan integration och flexibilitet utan att kompromissa med signalkedjans prestanda. Att eliminera många separata komponenter minskar risken för omkonstruktion av systemet, förenklar systemets materiallista och kan medföra kortare tid till marknadsintroduktion och lägre utvecklingskostnader.