Jak ušetřit místo a dobu vývoje při navrhování systémů přesného získávání dat

Konstruktéři systémů pro průmyslovou automatizaci a zdravotnictví využívají k digitalizaci a analýze stále více pokročilé technologie snímání, detekce a zachycování obrazu a videa. Analýza je však jen tak dobrá, jak jsou dobrá vstupní data, jejichž získávání závisí na vysokém výkonu, vysokém dynamickém rozsahu, přesném a stabilním kondicionování signálu a blocích převodu. Návrh těchto bloků pomocí metod diskrétních obvodů vyžaduje značné konstrukční prostředky, prostor na desce a čas, což vše zvyšuje celkové náklady.

Konstruktéři potřebují zároveň zajistit, aby jejich koncové systémy zůstaly konkurenceschopné, což znamená co nejvíce snížit náklady a dobu do uvedení na trh a zároveň zajistit vynikající výkon.

V tomto článku je stručně popsán typický systém získávání dat a jeho základní prvky. Poté si zde představíme modul získávání dat (DAQ) od společnosti Analog Devices Inc., který mnohé z těchto kritických prvků integruje a poskytuje stabilní 18bitový výkon 2 milionů vzorků za sekundu (MS/s). Představíme si také vyhodnocovací desku, která konstruktérům pomůže se s modulem a jeho používáním seznámit.

Prvky systému DAQ

Typický systém získávání dat je znázorněn na obrázku 1. Signál, který nás zajímá, je zachycován senzorem, který v reakci na některé fyzikální jevy vydává elektrický signál. Výstupy snímače mohou být jednostranné nebo diferenciální a mohou vyžadovat určité kondicionování signálu, jako je filtrování. K získání maximálního možného dynamického rozsahu z analogově-digitálního převodníku (ADC) musí být signál zesílen tak, aby odpovídal rozsahu vstupního napětí ADC. Zisk a offset zesilovače jsou obecně řízeny přesnými rezistory, které je třeba pečlivě sladit s ohledem na dynamický a teplotní drift. Teplotní závislosti obvykle vyžadují, aby součásti byly v těsné fyzické blízkosti. Dynamické podmínky zahrnují úroveň šumu a zkreslení, které je třeba minimalizovat.

Obrázek 1: Typický systém DAQ získává data ze senzoru, kondicionuje je, optimalizuje amplitudu signálu aplikovaného na ADC a předává digitální data procesoru systému. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

A/D převodník s postupnou aproximaxí (SAR) musí mít dostatečný dynamický rozsah, indikovaný počtem bitů rozlišení. Vyžaduje také vyrovnávací, stabilní a čisté referenční napětí.

A konečně, získaná data musí být přístupná přes komunikační rozhraní. Implementace takového systému získávání dat pomocí diskrétních součástek vyžaduje více fyzického prostoru a často vede k mnohem horšímu výkonu, než je výkon získaný z integrovaného zařízení. Jako příklad lze uvést, že požadavky na výkon diferenciálního zesilovače pro řízení ADC jsou takové, že musí mít vstupní a zpětnovazební rezistory na obou větvích vstupu zesilovače těsně sladěny, protože jakákoli nevyváženost sníží míru potlačení součtového signálu (CMRR). Stejně tak musí být vstupní rezistory přesně přizpůsobeny zpětnovazebním rezistorům, aby bylo možné nastavit zisk fáze. Tyto rezistory musí také reagovat na teplotu, což vyžaduje, aby byly umístěny blízko sebe. Kromě toho je celkové uspořádání obvodu rozhodující pro zachování integrity signálu a minimalizaci parazitní odezvy.

Integrovaný modul DAQ šetří čas a místo

Ke splnění požadavků na výkon a zároveň snížení velikosti a doby návrhu mohou jako alternativu k diskrétním implementacím konstruktéři použít modul SIP (system-in-package) µModule ADAQ4003BBCZ společnosti Analog Devices (obrázek 2). Modul ADAQ4003 měří 7 × 7 mm a zaměřuje se na integraci nejběžnějších sekcí signálového řetězce, včetně kondicionování signálu a digitalizace, aby poskytl úplnější řešení signálového řetězce s pokročilým výkonem. Tím vyplňuje mezeru mezi standardními diskrétními součástkami a vysoce integrovanými obvody specifickými pro zákazníka k řešení potřeb získávání dat.

Obrázek 2: Řez modulu SIP µModule, který kombinuje několik společných bloků pro zpracování signálu do jednoho zařízení o rozměru strany pouze 7 mm. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Modul ADAQ4003 kombinuje 18bitový A/D převodník s postupnou aproximací (SAR) s vysokým rozlišením běžící rychlostí až 2 MS/s, nízkošumový, plně diferenciální zesilovač ADC řadiče (FDA), stabilní vyrovnávací paměť referenčního napětí a všechna požadovaná kritická pasivní zařízení. Jeho malé pole BGA („ball grid array“) se 49 kontakty splňuje požadavky na kompaktní tvarový faktor.

Modul ADAQ4003 nabízí lepší než čtyřnásobné (4×) zmenšení plochy desky plošných spojů ve srovnání s diskrétním uspořádáním, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3: Modul ADAQ4003 (vlevo) se sejmutým krytem ve srovnání s identickým obvodem implementovaným s diskrétními součástkami zabírá méně než jednu čtvrtinu plochy. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Výhod zařízení µModule ve srovnání s diskrétní implementací je mnoho. Menší půdorys, součástky jsou fyzicky blízko pro lepší reagování na teplotu a také snížené parazitní efekty způsobené indukčností vedení a rozptylovou kapacitou.

Funkční blokové schéma modulu ADAQ4033 ukazuje čtyři klíčové součástky, které se nacházejí v každém systému získávání dat (obrázek 4).

Obrázek 4: Funkční blokové schéma modulu ADAQ4003 ukazuje, kolik se vejde do pouzdra BGA se 49 kontakty o rozměrech 7 × 7 mm. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Navzdory své malé fyzické velikosti obsahuje modul ADAQ4003 kritické pasivní součástky s využitím technologie iPassives společnosti Analog Devices. Integrované pasivní součástky se vyrábějí na substrátech, kde se vyrábí více pasivních sítí současně. Výsledkem tohoto výrobního procesu jsou díly s velkou přesností. Například součástky pole rezistorů jsou přizpůsobeny s přesností 0,005 %. Sousední součástky, s velmi těsnou mezerou, jsou v počáteční hodnotě dobře sladěny, rozhodně mnohem lépe než diskrétní pasivní součástky. Při implementaci na společném substrátu budou hodnoty součástek také během své životnosti lépe reagovat na teplotu, mechanické namáhání a stárnutí díky integrované struktuře součástek.

Jak již bylo zmíněno, 18bitový A/D převodník s postupnou aproximací lze taktovat rychlostí až 2 MS/s, přesto funguje bez chybějících stavů kódu. Přesná hodnota a přizpůsobení pasivních součástek zajišťuje vynikající výkon z A/D převodníku. Má typický odstup signál/šum a zkreslení (SINAD) 99 dB při nastavení zisku 0,454. Jeho integrální nelinearita je typicky 3 ppm. Pole vstupního rezistoru lze připevnit na pin, což umožňuje nastavení zisku 0,454, 0,909, 1,0 nebo 1,9, aby se vstup přizpůsobil plnému rozsahu ADC, čímž se maximalizuje jeho dynamický rozsah. Přizpůsobení kritických součástek má za následek drift chyby zisku ±0,5 ppm/C° a drift chyby offsetu 0,7 ppm/C° v rozsahu zisku 0,454.

Bloku ADC předchází řadič FDA s CMRR 90 dB ve všech rozsazích zisku v diferenciální konfiguraci. Zesilovač má velmi široký vstupní rozsah společného režimu, který závisí na konkrétní konfiguraci obvodu a nastavení zisku. FDA lze použít jako diferenciální zesilovač, ale pro jednokoncové vstupy může také provádět převod z jednoho konce na diferenciální.

K dispozici je jednopólový RC filtr, implementovaný diferenciálně pomocí interních součástek mezi řadičem FDA a ADC. Ten je navržen tak, aby omezil šum na vstupech ADC a snížil účinek zpětných rázů napětí přicházejících ze vstupu kapacitního digitálně-analogového převodníku (DAC) A/D převodníku s postupnou aproximací.

Modul ADAQ4003 obsahuje také referenční vyrovnávací paměť nakonfigurovanou na jednotný zisk, aby optimálně řídila dynamickou vstupní impedanci referenčního uzlu A/D převodníku s postupnou aproximací. Součástí jsou také všechny potřebné oddělovací kondenzátory pro uzel referenčního napětí a napájecí zdroje. Tyto oddělovací kondenzátory se vyznačují nízkým ekvivalentním sériovým odporem (ESR) a nízkou ekvivalentní sériovou indukčností (ESL). Skutečnost, že jsou interní součástí modulu ADAQ4003, kusovník (BOM) dále zjednodušuje.

Digitální rozhraní pro modul ADAQ4003 používá sériové periferní rozhraní (SPI), které je kompatibilní s DSP, MICROWIRE a QSPI. Při použití samostatného napájení VIO je výstupní rozhraní kompatibilní s logikou 1,8 V, 2,5 V, 3 V nebo 5 V.

Modul ADAQ4003 pracuje s nízkým celkovým rozptylovým výkonem – pouze 51,5 mW při maximálním taktovacím kmitočtu 2 MS/s – a s nižším rozptylovým výkonem při nižším taktovacím kmitočtu.

Fyzické uspořádání modulu ADAQ4003 pomáhá oddělením analogových a digitálních signálů konstruktérům udržovat integritu signálu a výkon. Zapojení má analogové signály na levé straně a digitální signály na pravé straně, což konstruktérům umožňuje izolovat citlivé analogové a digitální sekce, aby se minimalizovalo jakékoli křížení.

Modely obvodů

Společnosti Analog Devices zpřístupňuje simulační modely a ve svém bezplatném simulátoru LTspice poskytuje model pro zařízení ADAQ4003. Zpřístupňuje také model IBIS pro další komerční simulátory obvodů.

Simulátor LTspice obsahuje základní referenční obvod využívající modul ADAQ4003, znázorněný na obrázku 5. Zařízení se používá v konfiguraci diferenciálního vstupu a vstupní rezistory jsou připoutány k nastavení zisku FDA na 0,454 zapojením vstupních rezistorů 1,0 a 1,1 kΩ do série. Nastavení referenčního napětí modelu je 5 voltů a používá takt převodu 2 MS/s.

Obrázek 5: Společnost ADI zpřístupňuje simulační modely LTspice pro modul ADAQ4003 pomocí konfigurace diferenciálního vstupu. (Zdroj obrázku: společnost Art Pini)

Model LTspice je výchozím bodem pro jakýkoli návrh, který lze dále ověřit pomocí vyhodnocovací desky.

Vyhodnocovací desky

Když uvažujete o modulu ADAQ4003, je moudré si projít jeho kroky pomocí vyhodnocovací desky EVAL-ADAQ4003FMCZ. Tato vícedesková sada obsahuje vyhodnocovací desku a mezaninovou kartu programovatelného pole. Tyto součástky fungují s předváděcí platformou systému EVAL-SDP-CH1Z společnosti Analog Devices. Společnost ADI také dodává demo software Analysis/Control/Evaluation (ACE) s pluginy pro konkrétní produkty, které umožňují uživateli provádět podrobné testování produktů včetně harmonické analýzy a integrálních a diferenciálních měření nelinearity.

Závěr

Pro konstruktéry, kteří mají za úkol rychle vyvinout vysoce výkonné systémy DAQ při zachování velikosti a nákladů na minimu, je µModule ADAQ4003 dobrou volbou. Zařízení zkracuje vývojový cyklus přesného měřicího systému tím, že odstraňuje problémy s návrhem signálového řetězce spočívající ve výběru diskrétních součástek, optimalizaci a uspořádání. Modul ADAQ4003 dále zjednodušuje proces návrhu tím, že poskytuje jedinou součástku s optimalizovaným, prostorově efektivním řešením získávání dat jako základ pro vlastní návrh.