Forenkle utformingen av signalkjededatainnsamling med standardiserte, tilpassbare løsninger

Signalkjeder er integrert i en rekke elektroniske systemer for kommunikasjon, biomedisinsk utstyr, industriautomatisering, instrumentering og sensorer, samt mange andre konstruksjoner. Systemarkitekter og maskinvarekonstruktører står overfor en rekke logistiske og tekniske utfordringer når det gjelder å balansere spesifikke krav med behovet for å krympe fysisk størrelse, minimere designgjentakelser og akselerere tiden det tar å få produktet ut på markedet. Disse utfordringene er et godt argument for mer standardiserte, integrerte løsninger som fortsatt kan tilpasses for å møte konstruksjonens behov.

Signalkjeder inkluderer vanligvis digitale og analoge komponenter, for eksempel analog-til-digital-omformere (ADC – analog-to-digital converter), operasjonsforsterkere, digitale isolatorer og utrustningsspesifikke komponenter. Teknikere og produktkonstruktører som ønsker å lage optimale løsninger, må vurdere fordeler og ulemper når det gjelder komponentvalg, støy, strømforbruk, båndbredde og kostnader.

Mange konstruktører lager datainnsamlingssignalkjeder for bruksområder som automatisert testutstyr, luftfart, maskinautomatisering og innen helsevesen, overvåking, diagnostikk og avbildningssystemer. Maskinvaretrender foretrekker avansert datakonverteringsytelse med høy ytelse og økt robusthet for komplekse konstruksjoner, noe som ofte er utfordrende for tetthetsbegrensningene forbundet med varme og kretskort (PCB – printed circuit board).

Å oppnå høyere gjennomstrømning, minimere systemets strømforbruk og beskytte og drive inngangene på A-D-omformere kan skape konstruksjonskonflikter – der valget består av å bruke enten svært integrerte kundespesifikke IC-er eller frittstående standardkomponenter som er mer kostnadseffektive. Begge tilnærmingene øker forsknings- og utviklingskostnadene forbundet med å utvikle presisjonssignalkjedeblokker for sluttkonstruksjoner med høy ytelse. Den kundespesifikke tilnærmingen er vanligvis mer kostbar, men ytelsen til frittstående enheter vil sannsynligvis forringes grunnet driftstemperaturen og levetiden til kretsen.

Analog Devices, Inc. (ADI) adresserer store konstruksjonsproblemer forbundet med datainnsamlingssignalkjeden ved å dra nytte av heterogen integrering via SiP-teknologi (SiP – system-in-package) for å oppnå høyere tetthet, økt funksjonalitet, forbedret ytelse og lengre gjennomsnittlig-tid-til-feil. ADIs presisjonssignalkjede «μModule® Solutions» gir en kompakt, tilpassbar og integrert løsning som forenkler konstruksjon, forbedrer ytelse og sparer utviklingstid.

Forbedre tettheten uten at ytelsen faller

Et sentralt mål for avanserte presisjonssignalkjeder er å forbedre tettheten til signalkjeden uten å påvirke ytelsen negativt, ettersom konstruktører forsøker å tilpasse flere kanaler til samme formfaktor eller ta i bruk en tilnærming med en A-D-omformer per-kanal.

Datainnsamlingssignalkjeder må ofte kommunisere med flere sensorer med forskjellige common-mode-spenninger og inngangssignaler. Vanlige problemer omfatter kretsubalanse eller en uoverensstemmelse i tilbakekobling og forsterkningsmotstander som kan resultere i uønsket signal/støy-forhold (SNR – signal-to-noise ratio), forvrengning, forsterkningsfeil og inngangsavvisningsforhold.

ADIs presisjonssignalkjede μModule Solutions integrerer flere analoge og digitale komponenter i en enkelt modul, ved å bruke selskapets integrerte passiv-teknologi – iPassives – med ADI-IC-er for signalbehandling og SiP-er. iPassives ble utviklet av ADI for flere år siden for å få bukt med tidligere begrensninger og kompleksiteter forbundet med bruken av frittstående passive komponenter produsert separat og koblet til et kretskort. Dette gir utviklere et fleksibelt konstruksjonsverktøy for å lage robuste systemløsninger med suveren ytelse og korte utviklingssyklustider.

Med μModule Solutions kan konstruktører lage det som ser ut til å være en enkelt enhet for å levere funksjonalitet som tidligere krevde flere frittstående komponenter på kretskortnivå. Denne tilnærmingen eliminerer uoverensstemmelser og muliggjør mindre fysisk størrelse.

Redusert tid å få det ferdige produktet ut på markedet

Systemkonstruktører kan oppnå høyere nivåer av integrering og redusert tid å få det ferdige produktet ut på markedet, samtidig som de sikrer raskere hastigheter og redusert strømforbruk til en overkommelig pris. μModule-tilnærmingen muliggjør komplette løsninger innkapslet i romlig effektive formater og optimerer signalkjedens ytelse og pålitelighet.

ADIs presisjonssignalkjede μModule Solutions tar sikte på å forbedre tettheten i en mindre formfaktor ved å kombinere suverene enheter og avanserte 2.5D/3D-monteringsprosesser, samtidig som intelligent og effektiv styring av systemkomponentene opprettholdes. Ved å kombinere funksjoner som forsterkning, filtrering og A-D-omforming i en enkelt modul, elimineres behovet for å lage en kompleks løsning for en datainnsamlingssignalkjede med individuelle komponenter. Denne tilnærmingen reduserer kraftig parasittstrømmer forbundet med sammenkobling, for eksempel induktans, kapasitans og motstand.

Med forhåndskonstruerte, fabrikkerte, karakteriserte og testede kjerner kan ADIs μModule-enheter for en presisjonssignalkjede redusere konstruksjonstiden betydelig. De leveres også med forhåndskonfigurerte signalkjeder og ADI-støtteressurser, som omfatter evalueringskort og programvareutviklingssett.

Konstruktører kan skreddersy parametrene og egenskapene til signalkjeden til spesifikke konstruksjonskrav ved å bruke intelligent partisjonering av komponenter. Justerbar forsterkning, båndbredde, filtreringsalternativer og andre tilpassede funksjoner resulterer i en allsidig plattform som adresserer ulike konstruksjonsutfordringer.

I stedet for å slite med komplisert implementering på kretsnivå, med μModule-enheter, kan systemkonstruktører fokusere på konstruksjon og funksjonalitet på systemnivå, noe som gir raskere prototyping og systemvalidering og muliggjør redusert tid for å få det ferdige produktet ut på markedet for nyskapende konstruksjoner ved å fremme mer aggressiv planlegging av prosesser, fra systemdefinisjon til levering av deler.

Passive komponenter som påvirker ytelsen under produksjon er integrert i μModule-enheten, noe som resulterer i lavere sekundære kostnader, for eksempel montering med automatisk bestykning (plukkemaskiner), ytelsestap på systemkretskortet, feltreturstøtte og signalkjedekalibrering. Integrering av passive komponenter i kretskortsubstratet reduserer temperaturavhengige feilkilder, samtidig som antallet frittstående komponenter og sammenkoblinger på et kretskort reduseres, noe som til slutt reduserer loddeforbindelser og forbedrer påliteligheten.

ADIs ADAQ7980 (figur 1) og ADAQ7988 μModule-enheter er 16-bits datainnsamlingssystemer for A-D-omformere som integrerer fire signalprosesserings- og behandlingsblokker i en LGA-kapsling på 5 mm x 4 mm. Disse systemene støtter ulike konstruksjoner, inkludert automatisert testutstyr, batteridrevet instrumentering, kommunikasjon, prosesstyring og medisinske instrumenter. Enhetene inneholder de viktigste passive komponentene, og eliminerer mange konstruksjonsutfordringer knyttet til tradisjonelle signalkjeder som bruker A-D-omformere med suksessivt approksimasjonssregister (SAR). Flere enheter kan også kobles sammen på en enkelt buss med 3 ledere, som har et kompatibelt serielt perifert grensesnitt (SPI). Alle aktive komponenter i SiP-en er utviklet av ADI, deriblant:

• 16-bits SAR A-D-omformer med høy nøyaktighet og lav virkningsgrad
• Driver for en A-D-omformer med lavt strømforbruk, høy båndbredde og høy inngangsimpedans
• Laveffekts stabil referansebuffer
• En effektiv strømstyringsblokk

Figur 1: ADIs ADAQ7980-μModule (kilde: Analog Devices, Inc.)

Bruke μModule-enheter for en presisjonssignalkjede

ADIs sortiment av μModule-enheter for datainnsamling i en presisjonssignalkjede støtter et bredt utvalg av konstruksjoner i forskjellige bransjer, for eksempel:

Kommunikasjon. ADAQ8092 er en 14-bits, 105 MSPS, høyhastighets, to-kanals μModule for datainnsamling for ulike demodulator- og datainnsamlingskonstruksjoner, for eksempel transceivere, mobiltelefonbasestasjoner og nettverksinfrastruktur. Enheten inkorporerer signalbehandling, en driver for A-D-omformere, en spenningsreferanse og en A-D-omformer, i én enkelt enhet. Separering av RF-kretser og digitale kretser reduserer effektivt elektromagnetisk interferens som leveres av digitale motparter av støyfølsom RF-elektronikk.

Enheten danner en komplett signalkjede som integrerer alle aktive og iPassives-komponenter i et format som er seks ganger mindre enn en sammenlignbar frittstående løsning. Innebygde frakoblingskondensatorer for strømforsyninger forbedrer avvisningsytelsen til strømforsyningen. ADAQ8092 er virksom på analoge forsyninger fra 3,3 V til 5 V og digitale forsyninger på 1,8 V.

Industriell automatisering. ADAQ7768-1 er en 24-bits μModule for presisjonsdatainnsamling som innkapsler signalbehandling, konvertering og prosesseringsblokker. Enheten støtter ulike inngangstyper, inkludert IEPE-sensorer, resistive broer, spenning og strøminnganger, for tilstandsbaserte overvåkingsutrustninger (CbM – condition-based monitoring) som bruker sensorer til å etablere trender, forutsi feil, beregne levetid for eiendeler og gi menneskelig sikkerhet.

Brukere kan konfigurere ADAQ7768-1 til å fungere under to enhetskonfigurasjonsmetoder ved å endre registrene gjennom dets SPI-grensesnitt (SPI – serial peripheral interface), eller via en enkel forbindelsesledning (jumper) i maskinvaren. Syv pinne-konfigurerbare forsterkningsinnstillinger gir ekstra systemdynamikkområde og forbedret signalkjedestøyytelse med inngangssignaler som har lavere amplitude.

Testing i bilindustrien. ADAQ23878 er egnet for HiL (Hardware in the Loop) – en digital tvilling-teknikk som brukes til å teste komplekse sanntidssystemer, for eksempel elektroniske styringsenheter (ECU – electronic control unit), servostyringssystemer, fjæringssystemer, batteristyringssystemer eller andre delsystemer i kjøretøy. Den kan også blant annet brukes til automatisk testutstyr og ikke-destruktive akustiske utslippstestutrustninger.

ADAQ23878 kombinerer flere signalprosesserings- og behandlingsblokker i én enkelt enhet, inkludert en FDA med lavt støynivå, en stabil referansebuffer og en SAR-A-D-omformer med høy hastighet på 18-bits og 15 MSPS. Med sin lille størrelse på 9 mm × 9 mm og pinneavstand på 0,8 mm i en CSP_BGA-kapsling (CSP_BGA – chip scale package ball grid array) med 100 kuler, muliggjøres instrumenter med mer kompakte formfaktorer uten at det går på bekostning av ytelsen. Et serielt LVDS-digitalgrensesnitt (LVDS – low voltage differential signaling) med ett- eller tofelts utgangsmodus gjør det mulig for brukere å optimalisere grensesnittdatahastigheten for hver konstruksjon.

Konklusjon

Digital transformasjon og automatisering driver etterspørselen etter løsninger for signalkjededatainnhenting optimalisert for krevende konstruksjoner innen elektrifisering, bilindustri, digital helse, instrumentering, smart-industri, energi og bærekraft. ADIs μModule-enheter for en presisjonssignalkjede gir konstruktører en optimal balanse mellom integrasjon og fleksibilitet uten at det går på bekostning av signalkjedens ytelse. Eliminering av mange frittstående komponenter reduserer risikoen for systemredesign, forenkler systemets materialliste og kan resultere i kortere tid for å få det ferdige produktet ut på markedet og reduserte utviklingskostnader.