Signaaliketjun tiedonkeruuratkaisun yksinkertaistaminen standardoiduilla räätälöitävillä ratkaisuilla

Signaaliketjut ovat olennainen osa lukuisia elektroniikkajärjestelmiä tietoliikenteessä, biolääketieteellisissä laitteissa, teollisuusautomaatiossa, mittauslaitteissa ja antureissa sekä monissa muissa sovelluksissa. Järjestelmäarkkitehdit ja laitteistosuunnittelijat kohtaavat lukuisia logistisia ja teknisiä haasteita tasapainottaessaan erityisvaatimuksia haluttaessa pienentää kokoa, minimoida suunnitteluiteraatioita ja nopeuttaa markkinoilletuontiaikaa. Näiden haasteiden vuoksi tarvitaan standardoidumpia ja integroidumpia ratkaisuja, jotka kuitenkin voidaan räätälöidä pitkälle sovellusten tarpeisiin.

Signaaliketjut sisältävät tyypillisesti digitaalisia ja analogisia komponentteja, kuten analogi-digitaalimuuntimia (ADC), operaatiovahvistimia, digitaalierottimia ja sovelluskohtaisia komponentteja. Insinöörien ja tuotesuunnittelijoiden, jotka pyrkivät luomaan optimaalisia ratkaisuja, on tehtävä kompromisseja komponenttien valinnassa esimerkiksi kohinan, virrankulutuksen, kaistanleveyden ja kustannusten suhteen.

Monet suunnittelijat luovat tiedonkeruusignaaliketjuja sellaisiin sovelluksiin kuten automaattiset testauslaitteet, ilmailu, koneautomaatio ja terveydenhuollon valvonta-, diagnostiikka- ja kuvantamisjärjestelmät. Laitteistotrendit suosivat edistynyttä suorituskykyä tarkkuusdatan muunnossa ja parempaa robustisuutta kompleksisissa ratkaisuissa, joissa usein korostuvat lämpötekniset ja piirilevyn (PCB) tiheyden asettamat rajat.

Korkeamman suorituskyvyn saavuttaminen, järjestelmän virrankulutuksen minimointi ja ADC-tulojen suojaaminen ja ohjaaminen voivat aiheuttaa suunnitteluristiriitoja korkeasti integroitujen asiakaskohtaisten integroitujen piirien (IC) tai kustannustehokkaampien erillisten standardikomponenttien käytön suhteen. Kumpikin lähestymistapa kasvattaa tutkimus- ja kehityskustannuksia kehitettäessä huipputehokkaita ja tarkkoja signaaliketjulohkoja loppusovelluksiin. Asiakaskohtainen lähestymistapa on yleensä kalliimpi, mutta erilliskomponenttien suorituskyky todennäköisesti heikkenee piirin käyttölämpötilan ja käyttöiän myötä.

Analog Devices, Inc. (ADI) ratkaisee tärkeimmät tiedonkeruusignaaliketjujen suunnitteluun liittyvät ongelmat hyödyntämällä heterogeenista integrointia SiP (System-in-Package) -teknologian avulla suuremman tiheyden, korkeamman toiminnallisuuden, paremman suorituskyvyn ja pidemmän keskimääräisen vikaantumisajan saavuttamiseksi. ADI:n μModule®-tarkkuussignaaliketjuratkaisut tarjoavat kompaktin, räätälöitävän ja integroidun ratkaisun, joka yksinkertaistaa suunnittelua, parantaa suorituskykyä ja säästää tuotekehitysaikaa.

Tiheyden parantaminen ilman suorituskyvyn heikkenemistä

Kehittyneiden tarkkuussignaaliketjujen keskeisenä tavoitteena on parantaa signaaliketjun tiheyttä suorituskyvystä tinkimättä, kun suunnittelijat pyrkivät mahduttamaan enemmän kanavia samaan tilaan tai käyttämään kanavakohtaisia analogi-digitaalimuuntimia.

Tiedonkeruusignaaliketjut täytyy usein kytkeä useisiin antureihin erilaisilla yhteismuotoisilla jännitteillä ja tulosignaaleilla. Yleisiin ongelmiin kuuluvat piirin epätasapaino tai takaisinkytkentä- ja vahvistusvastusten yhteensopimattomuus, jotka voivat johtaa huonoon signaalikohinasuhteeseen (SNR), vääristymiin, vahvistusvirheisiin ja tulon hylkäyssuhteisiin.

ADI:n tarkkuussignaaliketjujen μModule-ratkaisut tarjoavat useita analogisia ja digitaalisia komponentteja yhdessä ainoassa moduulissa ja niissä käytetään yrityksen integroitua passiiviteknologiaa – iPassives – ADI:n signaalinkäsittelymikropiirien ja -SiP-moduulien kanssa. ADI kehitti iPassives-teknologian useita vuosia sitten aiempien rajoitusten ja kompleksisuuksien poistamiseksi, joita erikseen valmistettujen ja piirilevylle liitettävien erillisten passiivikomponenttien käyttö aiheutti. Tämä tarjoaa kehittäjille joustavan suunnittelutyökalun, jolla voidaan luoda robusteja järjestelmäratkaisuja, joilla on luokkansa paras suorituskyky ja lyhyet kehityssykliajat.

μModule-ratkaisujen avulla suunnittelijat voivat luoda yhdellä ainoalla laitteella ratkaisun, joka tarjoaa toiminnot, jotka aiemmin vaativat useita erillisiä komponentteja piirilevytason ratkaisuissa. Tämä lähestymistapa eliminoi yhteensopimattomuudet ja mahdollistaa pienemmän koon.

Nopeampi markkinoilletuonti

Järjestelmäsuunnittelijat voivat saavuttaa korkeammat integraatiotasot ja nopeamman markkinoilletuontiajan ja varmistaa samalla nopeamman suorituskyvyn ja alhaisemman virrankulutuksen edulliseen hintaan. μModule-lähestymistapa mahdollistaa tilaa tehokkaasti käyttävät kokonaisratkaisut ja optimoi signaaliketjun suorituskyvyn ja luotettavuuden.

ADI:n tarkkuussignaaliketjujen μModule-ratkaisuilla pyritään lisäämään tiheyttä pienemmässä koossa yhdistämällä huippuluokan laitteita ja edistyneitä 2,5D/3D-kokoonpanoprosesseja säilyttäen samalla järjestelmäkomponenttien älykäs ja tehokas hallinta. Koska sellaiset toiminnot kuten vahvistus, suodatus ja analogidigitaalimuunto voidaan yhdistää yhteen ainoaan moduuliin, kompleksista signaaliketjutiedonkeruuratkaisua ei tarvitse valmistaa yksittäisistä komponenteista. Tämä lähestymistapa vähentää merkittävästi liitäntöihin liittyviä loisvaikutuksia, kuten induktanssia, kapasitanssia ja resistanssia.

ADI:n μModule-tarkkuussignaaliketjumoduulit voivat lyhentää huomattavasti suunnitteluaikaa valmiiksi suunniteltujen, valmistettujen, karakterisoitujen ja testattujen ytimien ansiosta. Niiden mukana toimitetaan myös valmiiksi konfiguroituja signaaliketjuja ja ADI:n tukiresursseja, kuten arviointialustoja ja ohjelmistokehityspaketteja.

Suunnittelijat voivat räätälöidä signaaliketjun parametrit ja ominaisuudet sovelluksen erityisvaatimusten mukaisiksi komponenttien älykkään osioinnin avulla. Säädettävä vahvistus, kaistanleveys, suodatusvaihtoehdot ja muut mukautettavat toiminnot luovat monipuolisen alustan, joka vastaa erilaisiin suunnitteluhaasteisiin.

Järjestelmäsuunnittelijoiden ei tarvitse kamppailla monimutkaisen piiritason toteutuksen parissa, vaan he voivat keskittyä μModulen avulla järjestelmätason suunnitteluun ja toiminnallisuuteen. Tämä mahdollistaa nopeamman prototyyppien luonnin ja järjestelmän validoinnin sekä innovatiivisten sovellusten nopeamman markkinoilletuonnin jouduttamalla prosessien aggressiivisempaa aikataulutusta järjestelmän määrityksestä osien toimitukseen.

Suorituskykyyn ja tuottoon valmistuksen aikana vaikuttavat passiiviset komponentit on integroitu μModule-komponenttiin, mikä vähentää esimerkiksi kokoonpanon ladonnan, järjestelmäpiirilevyjen tuottohäviöiden, kenttäpalautustuen ja signaaliketjun kalibroinnin aiheuttamia sekundäärikustannuksia. Passiivikomponenttien integrointi piirilevyn substraattiin vähentää lämpötilasta riippuvaisia virhelähteitä ja minimoi samalla erillisten komponenttien ja liitäntöjen lukumäärän piirilevyllä, mikä lisäksi vähentää juotosliitoksien määrää ja parantaa luotettavuutta.

ADI:n μModulet ADAQ7980 (kuva 1) ja ADAQ7988 ovat 16-bittisiä ADC-tiedonkeruujärjestelmiä, jotka sisältävät neljä signaalinkäsittely- ja parannuslohkoa 5 mm x 4 mm:n LGA-kotelossa. Nämä järjestelmät tukevat lukuisia erilaisia sovelluksia, kuten automaattisia testauslaitteita, paristokäyttöisiä instrumentteja, kommunikaatiota, prosessinohjausta ja lääketieteellisiä laitteita. Laitteet sisältävät kaikkein kriittisimmät passiivikomponentit, mikä poistaa monia perinteisiin SAR (Successive Approximation Register) -analogia-digitaalimuuntimia käyttäviin signaaliketjuihin liittyviä suunnitteluhaasteita. Lisäksi useita laitteita voidaan ketjuttaa yhteen 3-johtimiseen väylään yhteensopivalla SPI (Serial Peripheral Interface) -rajapinnalla. Kaikki SiP-moduulin aktiivikomponentit ovat ADI:n suunnittelemia. Niihin kuuluvat:

• erittäin tarkka vähävirtainen 16-bittinen SAR-analogi-digitaalimuunnin
• vähävirtainen korkean kaistanleveyden ja korkean tuloimpedanssin ADC-ohjain
• vähävirtainen stabiili referenssipuskuri
• tehokas tehonhallintalohko.

Kuva 1: ADI ADAQ7980 μModule (Lähde: Analog Devices, Inc.)

μModule-moduulien käyttö tarkkuussignaaliketjuissa

ADI:n tarkkuussignaaliketjujen μModule-tiedonkeruumoduulien tuotevalikoima tukee monenlaisia sovelluksia eri teollisuudenaloilla, kuten esimerkiksi:

Viestintä. ADAQ8092 on 14-bittinen, 105 meganäytettä sekunnissa (MSPS) tarjoava huippunopea kaksikanavainen μModule-tiedonkeruumoduuli erilaisiin demodulaattori- ja tiedonkeruusovelluksiin, kuten lähetin-vastaanottimiin, soluverkkojen tukiasemiin ja verkkoinfrastruktuuriin. Laite tarjoaa signaalinparannuksen, ADC-ohjaimen, jännitereferenssin ja analogi-digitaalimuuntimen yhdessä ainoassa kotelossa. RF- ja digitaalipiirien erottaminen toisistaan vähentää tehokkaasti sähkömagneettisia häiriöitä, joita kohinalle herkän RF-elektroniikan digitaaliset vastineet aiheuttavat.

Laite muodostaa täydellisen signaaliketjun, joka sisältää kaikki aktiiviset ja iPassives-komponentit kuusi kertaa pienemmässä tilassa kuin vastaava erillisratkaisu. Virtalähteeseen sisäänrakennetut erotuskondensaattorit parantavat virtalähteen vaimennussuorituskykyä. ADAQ8092-tiedonkeruumoduuli toimii 3,3–5 V:n analogisella ja 1,8 V:n digitaalisella jännitteellä.

Teollisuusautomaatio. ADAQ7768-1 on 24-bittinen erittäin tarkka μModule-tiedonkeruumoduuli, joka sisältää signaalinparannus-, muunto- ja -käsittelylohkot. Laite tukee erilaisia tulotyyppejä, kuten IEPE-antureita, vastussiltoja, jännite- ja virtatuloja tilaan perustuvissa valvontasovelluksissa (CbM), jotka käyttävät antureita trendien määrittämiseen, vikojen ennakointiin, omaisuuden käyttöiän laskentaan ja ihmisten turvallisuuden varmistamiseen.

Käyttäjät voivat konfiguroida ADAQ7768-1-moduulin toimintaa kahdella laitekonfiguraatiomenetelmällä: muuttamalla rekistereitä moduulin SPI-rajapinnan kautta tai yksinkertaisella laitteistonastojen asetusmenetelmällä. Seitsemän nastalla konfiguroitavaa vahvistusasetusta tarjoaa järjestelmälle enemmän dynaamista aluetta ja paremman signaaliketjun kohinasuhteen pienemmän amplitudin tulosignaaleilla.

Autoteollisuuden testit. ADAQ23878 soveltuu digitaaliseen kaksoistekniikkaan HiL (Hardware in the Loop), jota käytetään kompleksisten reaaliaikaisten järjestelmien, kuten elektronisten ohjausyksiköiden (ECU), ohjaustehostinjärjestelmien, jousitusjärjestelmien, akunhallintajärjestelmien tai muiden ajoneuvon osajärjestelmien testaukseen. Sitä voidaan käyttää myös muun muassa automaattisissa testauslaitteissa ja melupäästöjen rikkomattoman testauksen sovelluksissa.

ADAQ23878 yhdistää useita signaalinkäsittely- ja parannuslohkoja yhteen laitteeseen, mukaan lukien vähäkohinainen FDA-vahvistin, stabiili referenssipuskuri ja erittäin nopea 18-bittinen 105 meganäytettä sekunnissa (MSPS) tarjoava SAR-analogi-digitaalimuunnin. Sen pieni koko, 9 mm × 9 mm, 0,8 mm:n jako ja 100 juotospisteen CSP BGA (Chip Scale Package Ball Grid Array) -kotelo mahdollistavat kompaktimman kokoiset instrumentit suorituskyvystä tinkimättä. Digitaalinen LVDS (Low Voltage Differential Signaling) -sarjaliitäntä yksi- tai kaksikaistaisilla lähtötiloilla mahdollistaa rajapinnan tiedonsiirtonopeuden optimoinnin kuhunkin sovellukseen.

Yhteenveto

Digitaalinen transformaatio ja automaatio lisäävät sellaisten signaaliketjun tiedonkeruuratkaisujen kysyntää, jotka on optimoitu vaativiin sovelluksiin sähköistämisen, autoteollisuuden, digitaalisen terveydenhuollon, instrumentaation, älyteollisuuden, energian ja kestävän kehityksen aloilla. ADI:n tarkkuussignaaliketjun μModule-moduulit tarjoavat suunnittelijoille optimaalisen tasapainon integroinnin ja joustavuuden välillä signaaliketjun suorituskyvystä tinkimättä. Lukuisten erilliskomponenttien eliminointi vähentää järjestelmän uudelleensuunnittelun riskiä, yksinkertaistaa järjestelmän osaluetteloa ja voi lyhentää markkinoilletuontiaikaa ja pienentää kehityskustannuksia.