Slik sparer du plass og utviklingstid når du utvikler systemer for nøyaktig datainnsamling

Konstruktører av systemer for industriell automatisering og helsevesen bruker i økende grad avansert føling, deteksjon og bilde- og videoopptaksteknologi for digitalisering og analyse. Analysen er imidlertid bare så god som de inngående dataene, så datainnhentingen er avhengig av nøyaktig og stabil signalbehandling med høy ytelse og høyt dynamisk område, samt konverteringsblokker. Konstruksjonen av disse blokkene med frittstående kretsmetoder krever betydelige utviklingsressurser, kortplass og tid, som kombinert øker den samlede kostnaden.

Samtidig må konstruktører sørge for at sluttsystemene forblir konkurransedyktige, noe som innebærer å redusere kostnader og tiden det tar å få produktet ut på markedet så mye som mulig og samtidig sikre fremragende ytelse.

Denne artikkelen beskriver kort et typisk datainnsamlingssystem og tilknyttede viktige elementer. Den introduserer deretter en datainnsamlingmodul (DAQ – data acquisition) fra Analog Devices Inc. som integrerer mange av disse viktige elementene for å gi stabil, 18-biters ytelse med 2 megasamplinger per sekund (MS/s – megasample per second). Et evalueringskort introduseres også for å gjøre det enklere for konstruktører å bli kjent med modulen og hvordan den brukes.

Elementer i et DAQ-system

Et typisk datainnsamlingssystem vises i figur 1. Det aktuelle signalet plukkes opp av en sensor som sender ut et elektrisk signal som respons på noen fysiske fenomener. Sensorens utganger kan være enkeltstående eller differensielle og kan kreve en viss signalbehandling, for eksempel filtrering. For å oppnå størst mulig dynamisk område fra analog-til-digital-omformeren (ADC – analog-to-digital converter), må signalet forsterkes for å samsvare med ADC-ens inngangsspenningsområde. Forsterkningen og forskyvningen styres vanligvis av presisjonsmotstander som må samsvares nøye for dynamiske avvik og temperaturavvik. Temperaturavhengigheter krever vanligvis at komponentene er i tett fysisk nærhet. Dynamiske forhold omfatter støy- og forvrengningsnivåer som må minimeres.

Figur 1: Et typisk DAQ-system samler inn data fra en sensor, behandler det, optimaliserer signalamplituden som påføres ADC-en og kommuniserer de digitale dataene til systemprosessoren. (Bildekilde: Analog Devices)

ADC-en til det suksessive approksimasjonsregisteret (SAR) må ha et tilstrekkelig dynamisk område, noe som gir uttrykk for oppløsningen i antall bits. Den krever også en bufret, stabil og ren spenningsreferanse.

Til slutt må de innsamlede dataene være tilgjengelige via et kommunikasjonsgrensesnitt. Implementering av et slikt datainnsamlingssystem ved å bruke frittstående komponenter, krever mer fysisk plass og resulterer ofte i mye dårligere ytelse sammenlignet med det som oppnås fra en integrert enhet. Som et eksempel, la oss anta at ytelseskravene til en differensialforsterker som skal drive en ADC er slik at den må ha inngangs- og feedbackmotstandene på begge ben på forsterkerinngangen nøye tilpasset, da alle ubalanser vil redusere sperreforholdet for fellesmodusen (CMRR – common mode rejection ratio). På samme måte må inngangsmotstandene nøyaktig tilpasses feedbackmotstandene for å stille inn forsterkningen for stadiet. Disse motstandene må også kunne spore over temperatur, noe som krever at de er plassert tett sammen. I tillegg er den generelle kretslayouten veldig viktig for å bevare signalintegriteten og minimere parasittresponsen.

Den integrerte DAQ-modulen sparer tid og plass

For å møte ytelseskrav og samtidig redusere størrelse og konstruksjonstid, kan konstruktører bruke Analog Devices ADAQ4003BBCZ µModule SIP (SIP – system in package) som et alternativ til frittstående implementeringer (figur 2). ADAQ4003, som måler 7 x 7 millimeter (mm), fokuserer på å integrere de vanligste delene av en signalkjede, deriblant signalbehandling og digitalisering, for å gi en mer komplett signalkjedeløsning med avansert ytelse. Ved å gjøre dette fyller den hullet mellom standard frittstående komponenter og svært integrerte kundespesifikke IC-er for å løse behov for datainnsamling.

Figur 2: En gjennomskåret visning av en µModule SIP som kombinerer flere vanlige signalbehandlingsblokker i én enkelt enhet som kun måler 7 mm på en side. (Bildekilde: Analog Devices)

ADAQ4003 kombinerer en 18-biters SAR ADC med høy oppløsning som kjører på opptil 2 MS/s, en støysvak og fullstendig differensiell ADC-driverforsterker (FDA), en stabil spenningsreferansebuffer og alle de nødvendige og viktige passive enhetene. Den lille kapslingen som har et kulegitteroppstilling (BGA – ball grid array) på 49 kontakter oppfyller kravene til et kompakt format.

ADAQ4003 tilbyr bedre enn fire ganger (4x) reduksjon i plass på kretskort sammenlignet med en frittstående layout, som vist på figur 3.

Figur 3: ADAQ4003 (venstre) med dekselet fjernet, sammenlignet med en identisk krets implementert med frittstående komponenter, tar mindre enn en fjerdedel av overflateområdet. (Bildekilde: Analog Devices)

Det er mange fordeler med µModule sammenlignet med den frittstående implementeringen. Mindre format, komponentene er fysisk nære for å gi bedre temperatursporing, og reduserte parasitteffekter på grunn av blyinduktans og omstreifende kapasitans.

Blokkoblingen i ADAQ4033 viser de fire viktigste komponentene som finnes i alle datainnsamlingssystemer (figur 4).

Figur 4: Blokkoblingen til ADAQ4003 viser hvor mye den pakker inn i sin BGA-kapsling på 7 x7 mm og med 49 kontakter. (Bildekilde: Analog Devices)

Til tross for den lille fysiske størrelsen, innlemmer ADAQ4003 de viktige passive komponentene ved å bruke Analog Devices sin iPassives-teknologi. Integrerte passive komponenter produseres på substrater der flere passive nettverk produseres samtidig. Produksjonsprosessen produserer disse delene med høy presisjon. Komponentene i motstandsnettverket samsvares for eksempel til innenfor 0,005 %. Tilstøtende komponenter, som har svært tett avstand, samsvarer godt i utgangspunktet, i hvert fall mye bedre enn frittstående passiver. Komponentverdiene, som er implementert på et felles substrat, vil også spore bedre over temperatur, mekanisk stress og aldring over komponentens levetid takket være komponentens integrerte struktur.

Som nevnt kan SAR 18-bits ADC klokkes til opptil 2 MS/s, og likevel fungere uten manglende kodetilstander. Den nøyaktige verdien og samsvaringen av de passive komponentene sikrer utmerket ytelse fra ADC-en. Den har et typisk signal-til-støy-forhold og forvrengningsforhold (SINAD – signal to noise and distortion) på 99 desibel (dB) ved en forsterkningsinnstilling på 0,454. Dens integrerte ikke-linearitet er vanligvis 3 ppm. Motstandsnettverket på inngangen kan festes via pin-strapping, slik at forsterkningsinnstillingene på 0,454; 0,909; 1,0 eller 1,9 kan samsvares med inngangen i fullskalaområdet til ADC-en, og dermed maksimere det dynamiske området. Tilpasningen av de kritiske komponentene resulterer i et forsterkningsfeilavvik på ± 0,5 ppm/C° og et forskyvningsfeilavvik på 0,7 ppm/C° i forsterkningsområdet på 0,454.

ADC-blokken innledes av FDA-driveren med en CMRR på 90 dB for alle forsterkningsområder i differensialkonfigurasjonen. Forsterkeren har et veldig bredt fellesmodus-inngangsområde som avhenger av bestemte kretskonfigurasjoner og forsterkningsinnstillinger. FDA-en kan brukes som en differensialforsterker, men kan også kjøre ensidig jording til differensiell konvertering for innganger med ensidig jording (single-ended).

Det er et enpolet RC-filter som er implementert differensielt ved å bruke interne komponenter mellom FDA-driveren og ADC-en. Dette er konstruert slik at støyen begrenses ved ADC-inngangene og effekten av spenningsoversvingspisser (voltage kickback) som kommer fra den kapasitive digital-til-analog-omformerinngangen (DAC – digital-to-analog converter) til en SAR ADC reduseres.

ADAQ4003 rommer også en referansebuffer konfigurert med enhetlig stabil forsterkning for å optimalisere den dynamiske inngangsimpedansen til SAR ADC-referansenoden. Alle nødvendige frakoblingskondensatorer for spenningsreferansenoden og strømforsyningene er også inkludert. Disse frakoblingskondensatorene har lav ekvivalent seriemotstand (ESR – equivalent series resistance) og lav ekvivalent serieinduktans (ESL – equivalent series inductance). Det faktum at de er interne i ADAQ4003, forenkler materiallisten (BOM) ytterligere.

Det digitale grensesnittet for ADAQ4003 bruker et serielt periferigrensesnitt (SPI – serial peripheral interface) som er kompatibelt med DSP, MICROWIRE og QSPI. Utgangsgrensesnittet er, ved å bruke en separat VIO-forsyning, kompatibelt med logikk på 1,8; 2,5; 3 eller 5 volt.

ADAQ4003 opererer med et lavt totalt effekttap – kun 51,5 milliwatt (mW) ved en maksimal klokkehastighet på 2 MS/s – og med lavere effekttap ved lavere klokkehastigheter.

Den fysiske layouten til ADAQ4003 hjelper teknikere med å opprettholde signalintegritet og ytelse ved å skille de analoge og digitale signalene. Uttakspinnen har analoge signaler til venstre og digitale signaler til høyre, slik at teknikere kan isolere sensitive analoge og digitale seksjoner for å minimere eventuell overkrysning.

Kretsmodeller

Analog Devices gjør simuleringsmodeller tilgjengelige, og tilbyr en modell for ADAQ4003 i sin gratis LTspice-simulator. Den gjør også en IBIS-modell tilgjengelig for andre kommersielle kretssimulatorer.

LTspice omfatter en grunnleggende referansekrets ved å bruke ADAQ4003, vist på figur 5. Enheten brukes i en differensiell inngangskonfigurasjon, og inngangsmotstandene er festet for å stille inn FDA-forsterkningen til 0,454 ved å plassere inngangsmotstandene på 1,0 og 1,1 kilohm (kΩ) i serie. Modellens innstilling for referansespenning er 5 volt, og den bruker en konverteringsklokke på 2 MS/s.

Figur 5: ADI gjør LTspice-simuleringsmodeller tilgjengelige for ADAQ4003 ved å bruke en differensiell inngangskonfigurasjon. (Bildekilde: Art Pini)

LTspice-modellen er et utgangspunkt for konstruksjoner som videre kan verifiseres ved hjelp av et evalueringskort.

Evalueringskort

Når ADAQ4003 tas i betraktning, er det lurt å bringe den gjennom skrittene ved å bruke EVAL-ADAQ4003FMCZ-evalueringskortet. Dette settet med flere kort omfatter evalueringskortet og et feltprogrammerbart nettverk av mezzanine-kort. Disse fungerer med Analog Devices sin systemdemonstrasjonsplattform EVAL-SDP-CH1Z. ADI leverer også demoprogramvare for analyse/styring/evaluering (ACE – Analysis/Control/Evaluation) med produktspesifikke tillegg (plugins), slik at brukeren kan utføre detaljert produkttesting, deriblant harmonisk analyse og integrerte og differensielle ikke-linearitetsmålinger.

Konklusjon

For teknikere som har som oppgave å raskt utvikle høyytelses DAQ-systemer og samtidig holde størrelsen og kostnadene nede på et minimum, er ADAQ4003 µModule et godt alternativ. Enheten reduserer utviklingssyklusen til et presisjonsmålingssystem ved å fjerne signalkjedens konstruksjonsutfordringer, som innebærer valg av frittstående komponenter, optimalisering og layout. ADAQ4003 forenkler konstruksjonsprosessen ytterligere ved å tilby én enkelt komponent med en optimalisert, plassbesparende datainnsamlingsløsning som grunnlaget i en tilpasset konstruksjon.