Tilan ja ajan säästäminen tarkkojen tiedonkeruujärjestelmien suunnittelussa

Kirjoittaja Art Pini

Julkaisija Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Teollisuusautomaatio- ja terveydenhuoltojärjestelmien suunnittelijat käyttävät digitalisointiin ja analysointiin yhä useammin kehittynyttä anturi-, tunnistus- ja pysäytyskuva- ja videokuvaustekniikkaa. Analyysi on kuitenkin vain niin hyvää kuin tulodata, jonka keruu perustuu huipputehokkaisiin, erittäin dynaamisiin, tarkkoihin ja vakaisiin signaalinparannus- ja muuntolohkoihin. Näiden lohkojen suunnittelu erillisillä piirimenetelmillä vaatii huomattavia suunnitteluresursseja, paljon levytilaa ja aikaa, jotka kaikki nostavat kokonaiskustannuksia.

Samaan aikaan suunnittelijoiden on varmistettava valmiiden järjestelmien kilpailukyky, mikä edellyttää kustannusten laskemista ja markkinoilletuontiajan lyhentämistä mahdollisimman paljon ja samalla erinomaisen suorituskyvyn varmistamista.

Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti tyypillinen tiedonkeruujärjestelmä ja sen keskeiset osat. Sen jälkeen siinä esitellään Analog Devices -yrityksen tiedonkeruumoduuli (DAQ), joka sisältää monia näistä tärkeistä elementeistä ja joka tarjoaa vakaan 18-bittisen suorituskyvyn 2 miljoonalla näytteellä sekunnissa (MS/s). Lisäksi artikkelissa esitellään evaluointikortti, jonka avulla suunnittelijat voivat perehtyä moduuliin ja sen käyttöön.

Tiedonkeruujärjestelmän elementit

Tyypillinen tiedonkeruujärjestelmä näytetään kuvassa 1. Haluttu signaali vastaanotetaan anturilla, joka tuottaa sähköisen signaalin vastauksena johonkin fyysiseen ilmiöön. Anturin lähdöt voivat olla epäsymmetrisiä tai differentiaalisia ja ne saattavat vaatia jonkinlaista signaalinparannusta, kuten suodatusta. Jotta analogi-digitaalimuunnin (ADC) saavuttaisi mahdollisimman laajan dynaamisen alueen, signaali on vahvistettava niin, että se vastaa ADC:n tulojännitealuetta. Vahvistimen vahvistusta ja offsetia ohjataan yleensä tarkkuusvastuksilla, jotka on sovitettava huolellisesti ottaen huomioon dynamiikan ja lämpötilasiirtymän. Lämpötilariippuvuus edellyttää yleensä sitä, että komponentit sijoitetaan fyysisesti lähelle toisiaan. Dynaamisiin olosuhteisiin sisältyvät kohina- ja särötasot on minimoitava.

Kaavio tyypillisestä tiedonkeruujärjestelmästä, joka vastaanottaa dataa anturistaKuva 1: Tyypillinen tiedonkeruujärjestelmä vastaanottaa dataa anturista, parantaa sitä, optimoi AD-muuntimeen syötettävän signaalin amplitudin ja välittää digitaalisen datan järjestelmän prosessorille. (Kuvan lähde: Analog Devices)

SAR (Successive Approximation Register) -analogi-digitaalimuuntimella täytyy olla riittävän laaja dynaaminen alue, joka ilmoitetaan resoluutiobittien määränä. Se vaatii myös puskuroidun, vakaan ja puhtaan jännitereferenssin.

Lisäksi kerätyn datan tulee olla käytettävissä tiedonsiirtorajapinnan kautta. Tällaisen tiedonkeruujärjestelmän toteuttaminen erillisillä komponenteilla vaatii enemmän fyysistä tilaa ja johtaa usein paljon niitä huonompaan suorituskykyyn. Esimerkki: AD-muuntimen ohjaukseen käytettävän differentiaalivahvistimen suorituskykyvaatimukset edellyttävät, että vahvistimen tulon molempien jalkojen tulo- ja takaisinkytkentävastukset on sovitettava läheisesti yhteen, koska epätasapaino pienentää yhteismuotoista hylkäyssuhdetta (CMRR). Tulovastukset on myös sovitettava tarkasti takaisinkytkentävastuksiin vaiheen vahvistuksen asettamiseksi. Lisäksi näiden vastusten lämpötilojen on oltava lähellä toisiaan, mikä edellyttää niiden sijoittamista lähelle toisiaan. Sen lisäksi piirin yleinen layout on ratkaiseva tekijä signaalin eheyden säilyttämisessä ja loisvasteiden minimoinnissa.

Integroitu tiedonkeruumoduuli säästää aikaa ja tilaa

Suunnittelijat voivat käyttää Analog Devices ADAQ4003BBCZ µModule SIP (System in Package) -moduulia vaihtoehtona erillistoteutuksille. Se auttaa täyttämään suorituskykyä koskevat vaatimukset ja samanaikaisesti pienentää tilantarvetta sekä lyhentää suunnitteluaikaa (kuva 2). 7 x 7 millimetrin (mm) kokoinen ADAQ4003 keskittyy signaaliketjun yleisimpien osien, kuten signaalinparannuksen ja digitalisoinnin, integrointiin ja tarjoaa kattavamman ja suorituskyvyltään paremman signaaliketjuratkaisun. Se täyttää tiedonkeruuratkaisuna erillisten peruskomponenttien ja pitkälle integroitujen asiakaskohtaisten IC-piirien välisen aukon.

Kuva Analog Devices µModule SIP -moduulin leikkausnäkymästäKuva 2: Halkileikkausnäkymä µModule SIP -moduulista. Se yhdistää useita yleisiä signaalinkäsittelylohkoja yhteen komponenttiin, jonka pituus on vain 7 mm sivultaan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Moduulissa ADAQ4003 yhdistyvät korkearesoluutioinen 18-bittinen SAR-analogi-digitaalimuunnin, joka toimii jopa nopeudella 2 MS/s, pienikohinainen, täysin differentiaalinen AD-muuntimen ohjainvahvistin (FDA), vakaa jännitereferenssipuskuri ja kaikki tarvittavat kriittiset passiiviset rakenneosat. Moduulin pieni 49 kontaktin BGA (Ball Grid Array) -kotelo täyttää kompaktin koon vaatimukset.

ADAQ4003 tarvitsee erilliseen layoutiin verrattuna yli neljä kertaa vähemmän piirilevytilaa, kuten kuvasta 3 näkyy.

Kuva Analog Devices -moduulista ADAQ4003 (vasemmalla), kun sen kansi on poistettunaKuva 3: Moduuli ADAQ4003 (kuvassa vasemmalla, kansi poistettuna) tarvitsee erilliskomponenteilla toteutettuun identtiseen piiriin verrattuna yli neljä kertaa vähemmän piirilevytilaa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

µModule tarjoaa monia etuja erillistoteutukseen verrattuna: tilantarve on pienempi ja komponentit ovat fyysisesti lähekkäin, mikä parantaa lämpötilan seurantaa sekä vähentää johdininduktanssin ja hajakapasitanssin aiheuttamia loisvaikutuksia.

Moduulin ADAQ4033 toimintalohkokaaviossa näkyy neljä keskeistä komponenttia, jotka löytyvät jokaisesta tiedonkeruujärjestelmästä (kuva 4).

Analog Devices ADAQ4003 -moduulin toimintalohkokaavioKuva 4: ADAQ4003-moduulin toimintalohkokaavio näyttää, kuinka paljon sen 7 x 7 mm:n kokoiseen 49 kontaktin BGA-koteloon mahtuu. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Moduuli ADAQ4003 sisältää pienestä fyysisestä koostaan huolimatta kriittiset passiiviset komponentit ja siinä käytetään yrityksen iPassives-tekniikkaa. Integroidut passiivikomponentit valmistetaan substraateilla, joilla tuotetaan samanaikaisesti useita passiivisia verkkoja. Tuotantoprosessi valmistaa nämä osat suurella tarkkuudella. Vastusryhmien komponentit esimerkiksi sovitetaan 0,005 prosentin tarkkuudella toisiinsa. Hyvin lähekkäin sijoitetut vierekkäiset komponentit ovat lähtöarvoltaan hyvin lähellä toisiaan – varmasti paljon erillisiä passiivisia komponentteja lähempänä. Kun komponentit toteutetaan yhteisellä substraatilla, niiden arvot seuraavat integroidun rakenteen ansiosta myös tarkemmin lämpötilaa, mekaanista rasitusta ja elinkaaren aikana tapahtuvaa vanhenemista.

Kuten edellä on mainittu, 18-bittistä SAR-analogi-digitaalimuunninta voidaan kellottaa jopa nopeuteen 2 MS/s saakka, ja siltikin se toimii kadottamatta kooditiloja. Passiivisten komponenttien tarkka arvo ja yhteensopivuus takaavat AD-muuntimen erinomaisen suorituskyvyn. AD-muuntimen tyypillinen signaalikohina- ja särösuhde (SINAD) on 99 desibeliä (dB) vahvistusasetuksella 0,454. Sen sisältämä epälineaarisuus on tyypillisesti luokkaa 3 miljoonasosaa (ppm). Tulovastusryhmässä voidaan käyttää nastasiltoja, mikä mahdollistaa vahvistusasetukset 0,454; 0,909; 1,0 tai 1,9. Näin tulo sovitetaan AD-muuntimen koko skaala-alueelle ja sen dynaaminen alue maksimoidaan. Kriittisten komponenttien yhteensovittaminen mahdollistaa vahvistusvirhesiirtymän ± 0,5 ppm/C° ja offset-virhesiirtymän 0,7 ppm/C° vahvistusalueella 0,454.

ADC-lohkon edessä on FDA-ohjain, jonka CMRR-arvo on 90 dB kaikilla vahvistusalueilla differentiaalikokoonpanossa. Vahvistimella on hyvin laaja yhteismuotoinen tuloalue, joka riippuu erityisistä piirikonfiguraatioista ja vahvistusasetuksista. FDA-vahvistinta voidaan käyttää differentiaalivahvistimena, mutta se voi myös muuntaa epäsymmetriset tulot differentiaalisiksi.

FDA-ohjaimen ja AD-muuntimen välissä on yksinapainen RC-suodatin, joka on toteutettu differentiaalisesti sisäisiä komponentteja käyttämällä. Sen tarkoituksena on rajoittaa kohinaa AD-muuntimen tuloissa ja vähentää SAR-AD-muuntimen kapasitiivisesta digitaali-analogiamuunnintulosta (DAC) tulevien takaiskujännitteiden vaikutusta.

Moduuli ADAQ4003 sisältää myös referenssipuskurin, joka on konfiguroitu käyttämään yksikkövahvistusta SAR-AD-muuntimen referenssisolmun dynaamisen tuloimpedanssin optimaalista ohjausta varten. Se sisältää myös kaikki tarvittavat erotuskondensaattorit jännitteen referenssisolmua ja virtalähteitä varten. Näiden erotuskondensaattoreiden ominaisuuksiin kuuluvat alhainen ekvivalentti sarjavastus (ESR) ja alhainen ekvivalentti sarjainduktanssi (ESL). Se, että ne kuuluvat ADAQ4003-moduulin sisäisiin komponentteihin, supistaa osaluetteloa (BOM) entisestään.

Moduulin ADAQ4003 digitaaliliitäntä käyttää SPI (Serial Peripheral Interface) -rajapintaa, joka on yhteensopiva DSP:n, MICROWIRE:n ja QSPI:n kanssa. Käytettäessä erillistä VIO-syöttöä lähtörajapinta on yhteensopiva 1,8 voltin; 2,5 voltin; 3 voltin tai 5 voltin logiikan kanssa.

ADAQ4003 toimii alhaisella kokonaistehohäviöllä – vain 51,5 milliwattia (mW) maksimikellonopeudella 2 MS/s – ja pienemmillä kellonopeuksilla tehohäviö laskee.

ADAQ4003-moduulin fyysinen layout auttaa suunnittelijoita säilyttämään signaalien eheyden ja suorituskyvyn erottamalla analogiset ja digitaaliset signaalit toisistaan. Analogiset signaalit ovat nastajärjestyksessä vasemmalla ja digitaaliset signaalit oikealla, jolloin suunnittelijat voivat erottaa herkät analogiset ja digitaaliset osuudet toisistaan ja minimoida ylikuulumisen.

Piirimallit

Analog Devices tarjoaa käyttöön simulointimalleja, mukaan lukien ADAQ4003-moduulin simulointimalli ilmaiseen LTspice-simulaattoriin. Lisäksi IBIS-malli on saatavilla muihin kaupallisiin piirisimulaattoreihin.

LTspice sisältää ADAQ4003-moduula käyttävän perusreferenssipiirin (kuvassa 5). Laitetta käytetään differentiaalitulokonfiguraatiossa. Tulovastukset on silloitettu siten, että FDA-vahvistusarvo on 0,454 asettamalla 1,0 ja 1,1 kilo-ohmin (kΩ) tulovastukset sarjaan. Mallin referenssijänniteasetus on 5 volttia ja muuntokello 2 MS/s.

Kuva: ADI tarjoaa LTspice-simulointimalleja (suurenna klikkaamalla).Kuva 5: ADI tarjoaa ADAQ4003-moduulille LTspice-simulointimalleja differentiaalisella tulokonfiguroinnilla. (Kuvan lähde: Art Pini)

LTspice-malli tarjoaa lähtökohdan kaikenlaiselle suunnittelulle, jota voidaan varmentaa lisää evaluointikortin avulla.

Evaluointikortit

Kun ADAQ4003-moduulin käyttöä pohditaan, sitä on viisasta testata EVAL-ADAQ4003FMCZ-evaluointikortilla. Tämä usean kortin sarja sisältää evaluointikortin ja kenttäohjelmoitavan liitäntäkortin. Ne voidaan yhdistää Analog Devices EVAL-SDP-CH1Z -järjestelmänesittelyalustaan. ADI myy myös Analysis/Control/Evaluation (ACE) -demo-ohjelmistoa tuotekohtaisilla lisäosilla, jonka avulla käyttäjä voi suorittaa yksityiskohtaisia tuotetestauksia, kuten harmonisen analyysin sekä integraalin ja differentiaalisen epälineaarisuuden mittaukset.

Yhteenveto

ADAQ4003 µModule on hyvä vaihtoehto suunnittelijoille, joiden tehtävänä on kehittää nopeasti huipputehokkaita tiedonkeruujärjestelmiä ja samalla pitää koko ja kustannukset mahdollisimman pieninä. Laite lyhentää tarkkuusmittausjärjestelmän kehityssykliä poistamalla signaaliketjun erillisten komponenttien valintaan, optimointiin ja layoutiin liittyvät suunnitteluhaasteet. ADAQ4003 yksinkertaistaa suunnitteluprosessia edelleen tarjoamalla yhdestä komponentista koostuvan optimoidun, tilatehokkaan tiedonkeruuratkaisun asiakaskohtaisen ratkaisun perustaksi.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Tietoja kirjoittajasta

Art Pini

Arthur (Art) Pini toimii avustavana kirjoittajana Digi-Key Electronicsille. Hän on suorittanut sähköinsinöörin tutkinnon New Yorkin City Collegessa sekä sähkötekniikan yliopistotutkinnon New Yorkin City Universityssä. Hänellä on yli 50 vuoden kokemus elektroniikka-alalta ja hän on työskennellyt tärkeissä suunnittelu- ja markkinointirooleissa Teledyne LeCroy-, Summation-, Wavetek- ja Nicolet Scientific -yrityksissä. Hän on kiinnostunut mittausteknologiasta ja hänellä on laaja kokemus oskilloskooppien, spektrianalysaattorien, satunnaisaaltomuotogeneraattorien, digitoijien ja tehomittareiden kanssa.

Tietoja tästä julkaisijasta

Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa