Zjednodušení návrhu získávání dat v signálovém řetězci pomocí standardizovaných, přizpůsobitelných řešení

Signálové řetězce jsou nedílnou součástí mnoha elektronických systémů pro komunikaci, biomedicínská zařízení, průmyslovou automatizaci, přístrojové vybavení a senzory a mnoho dalších aplikací. Systémoví architekti a konstruktéři hardwaru čelí četným logistickým a technickým výzvám, když musí vyvážit specifické požadavky s potřebou zmenšit rozměry, minimalizovat iterace návrhu a urychlit dobu do uvedení na trh. Tyto výzvy jsou důvodem pro standardizovanější, integrovanější řešení, která lze stále vysoce přizpůsobovat potřebám aplikací.

Signálové řetězce obvykle zahrnují digitální a analogové součástky, jako jsou analogově-digitální převodníky („analog-to-digital converter“, ADC), operační zesilovače, digitální izolátory a součástky specifické pro danou aplikaci. Technici a konstruktéři produktů, kteří se snaží vytvořit optimální řešení, se musí při výběru součástek orientovat podle mnoha kompromisů, včetně šumu, spotřeby energie, šířky pásma a nákladů.

Mnoho konstruktérů vytváří signálové řetězce pro získávání dat pro aplikace, jako jsou automatizovaná testovací zařízení, letectví, automatizace strojů a monitorovací, diagnostické a zobrazovací systémy ve zdravotnictví. Hardwarové trendy upřednostňují pro složité návrhy pokročilý výkon precizního převodu dat a zvýšenou robustnost, často zdůrazňující tepelná omezení a omezení hustoty desek plošných spojů (DPS).

Dosažení vyšší propustnosti, minimalizace spotřeby systému a ochrana a řízení vstupů ADC mohou způsobit konflikty v návrhu oproti použití vysoce integrovaných integrovaných obvodů (IO) specifických pro zákazníka nebo samostatných standardních součástek, které jsou cenově efektivnější. Oba přístupy zvyšují náklady na výzkum a vývoj při vývoji vysoce výkonných a přesných bloků signálového řetězce pro koncové aplikace. Přístup specifický pro daného zákazníka je obvykle nákladnější, ale diskrétní zařízení budou pravděpodobně s rostoucí provozní teplotou a životností obvodu svůj výkon zhoršovat.

Společnost Analog Devices, Inc. (ADI) řeší hlavní problémy návrhu signálového řetězce pro získávání dat využitím heterogenní integrace prostřednictvím technologie systému v jednom pouzdře („system-in-package“, SiP), čímž dosahuje vyšší hustoty, větší funkčnosti, zvýšeného výkonu a delší střední doby do poruchy. Řešení μModule® precizního signálového řetězce společnosti ADI poskytují kompaktní, přizpůsobitelné a integrované řešení, které zjednodušuje návrh, zlepšuje výkon a šetří čas potřebný k vývoji.

Zlepšení hustoty bez poklesu výkonu

Klíčovým cílem pokročilých precizních signálových řetězců je zlepšit hustotu signálového řetězce bez negativního dopadu na výkon, protože konstruktéři se pokoušejí vměstnat více kanálů do stejného rozměru nebo přijímají přístup jeden ADC na kanál.

Signálové řetězce získávání dat musí být často propojeny s více senzory s různým souhlasným napětím a vstupními signály. Mezi běžné problémy patří nevyváženost obvodu nebo nesoulad ve zpětnovazebních a zesilovacích rezistorech, které mohou vést k nežádoucímu odstupu signálu od šumu („signal-to-noise ratio“, SNR), zkreslení, chybě zesílení a poměrům potlačení vstupů.

Řešení μModule precizního signálového řetězce společnosti ADI integrují více analogových a digitálních součástek do jediného modulu s využitím technologie integrovaných pasivních prvků společnosti – iPassives – s integrovanými obvody pro kondicionování signálu a SiP společnosti ADI. Technologie iPassives byla ve společnosti ADI vyvinuta před několika lety s cílem překonat předchozí omezení a složitosti používání diskrétních pasivních součástek vyráběných samostatně a zapojených na DPS. To poskytuje vývojářům flexibilní návrhářský nástroj pro vytváření robustních systémových řešení s nejlepším výkonem ve své třídě a krátkými dobami vývojového cyklu.

S řešeními μModule mohou konstruktéři vytvořit něco, co vypadá jako jedno zařízení, které však poskytuje funkce, jaké dříve vyžadovaly více diskrétních součástek v řešeních na úrovni desky. Tento přístup eliminuje nesoulad a umožňuje zmenšit rozměry.

Rychlejší uvedení na trh

Systémoví návrháři mohou dosáhnout vyšší úrovně integrace a rychlejšího uvedení na trh při zajištění vyšší rychlosti výkonu a nižší spotřeby energie za dostupnou cenu. Přístup μModule umožňuje kompletní řešení v pouzdrech s prostorově efektivními půdorysy a optimalizuje výkon a spolehlivost signálového řetězce.

Řešení μModule precizního signálového řetězce společnosti ADI mají za cíl zvýšit hustotu v menším provedení díky kombinaci špičkových zařízení a pokročilých 2,5D/3D montážních procesů při zachování inteligentní a efektivní správy systémových součástek. Kombinace funkcí, jako je zesílení, filtrování a ADC v jediném modulu, eliminuje potřebu vytvářet komplexní řešení signálového řetězce získávání dat s jednotlivými součástkami. Tento přístup výrazně snižuje parazitní prvky vzájemného propojení, jako je indukčnost, kapacita a odpor.

Díky předem navrženým, vyrobeným, charakterizovaným a testovaným jádrům mohou řešení μModule precizního signálového řetězce společnosti ADI výrazně zkrátit dobu návrhu. Dodávají se také s předkonfigurovanými signálovými řetězci a podpůrnými prostředky společnosti ADI, včetně vyhodnocovacích desek a sad pro vývoj softwaru.

Konstruktéři mohou přizpůsobit parametry a charakteristiky signálového řetězce specifickým požadavkům aplikací prostřednictvím inteligentního rozdělení součástek. Nastavitelné zesílení, šířka pásma, možnosti filtrování a další přizpůsobitelné funkce vedou k všestranné platformě, která řeší různé konstrukční výzvy.

Místo toho, aby se konstruktéři systémů museli potýkat se složitou implementací na úrovni obvodů, mohou se s řešením μModule zaměřit na návrh a funkčnost na úrovni systému, což umožňuje rychlejší prototypování a ověřování systému a také rychlejší uvádění inovativních aplikací na trh díky agresivnějšímu plánování procesů od definice systému až po dodávku dílů.

Pasivní součástky, které ovlivňují výkon a výtěžnost při výrobě, jsou do zařízení μModule integrovány, což vede ke snížení sekundárních nákladů, jako je sestavování typu Pick and Place, ztráty výtěžnosti systémové desky plošných spojů, podpora při návratu do provozu a kalibrace signálového řetězce. Integrace pasivních součástek do substrátu DPS snižuje zdroje chyb závislé na teplotě a zároveň minimalizuje počet diskrétních součástek a propojení na DPS, což v konečném důsledku snižuje pájené spoje a zlepšuje spolehlivost.

Zařízení ADAQ7980 (obrázek 1) a ADAQ7988 μModule společnosti ADI jsou 16bitové systémy pro získávání dat ADC, které integrují čtyři bloky pro zpracování a kondicionování signálu do pouzdra LGA 5 mm × 4 mm. Tyto systémy podporují různé aplikace, včetně automatizovaných testovacích zařízení, bateriově napájených přístrojů, komunikace, řízení procesů a lékařských přístrojů. Zařízení obsahují nejdůležitější pasivní součástky, čímž eliminují mnoho konstrukčních problémů spojených s tradičními signálovými řetězci, které používají ADC s postupnou aproximací („successive approximation register“, SAR). Kromě toho lze na jedné 3vodičové sběrnici s kompatibilním sériovým periferním rozhraním („serial peripheral interface“, SPI) řetězit více zařízení. Všechny aktivní součástky v SiP jsou navrženy společností ADI, včetně následujících:

• Vysoce přesný 16bitový SAR ADC s nízkou spotřebou energie
• Ovladač ADC s nízkou spotřebou energie, velkou šířkou pásma a vysokou vstupní impedancí
• Stabilní referenční vyrovnávací paměť s nízkou spotřebou energie
• Blok efektivního řízení spotřeby energie

Obrázek 1: Zařízení ADAQ7980 μModule společnosti ADI (zdroj: společnost Analog Devices, Inc.)

Použití zařízení μModule precizního signálového řetězce

Portfolio společnosti ADI zařízení μModule precizních signálových řetězců pro získávání dat podporuje širokou škálu aplikací v různých průmyslových odvětvích, jako jsou následující:

Komunikace. Model ADAQ8092 je 14bitové, vysokorychlostní, dvoukanálové zařízení μModule se vzorkováním 105 milionů vzorků za sekundu (MSPS) pro získávání dat pro různé aplikace demodulátorů a získávání dat, jako jsou transceivery, mobilní základnové stanice a síťová infrastruktura. Zařízení obsahuje kondicionování signálu, ovladač ADC, referenci napětí a ADC v jednom jediném pouzdru. Oddělení VF a digitálních obvodů účinně zmírňuje elektromagnetické rušení způsobené digitálními protějšky RF elektroniky citlivé na šum.

Zařízení tvoří kompletní signálový řetězec, který integruje všechny aktivní součástky iPassive na ploše šestkrát menší než srovnatelné diskrétní řešení. Vestavěné oddělovací kondenzátory napájecího zdroje zvyšují odrušení napájecího zdroje. Zařízení ADAQ8092 pracuje s analogovým napájením 3,3 V až 5 V a digitálním napájením 1,8 V.

Průmyslová automatizace. Model ADAQ7768-1 je 24bitové zařízení μModule pro precizní získávání dat, které v sobě zahrnuje bloky pro kondicionování, konverzi a zpracování signálu. Zařízení podporuje různé typy vstupů, včetně senzorů IEPE, odporových můstků, napěťových a proudových vstupů, pro aplikace monitorování podle stavu („Condition-based Monitoring“, CbM), které využívají senzory ke stanovení trendů, předvídání poruch, výpočtu životnosti aktiv a zajištění bezpečnosti lidí.

Uživatelé mohou zařízení ADAQ7768-1 nakonfigurovat pro provoz podle dvou metod konfigurace zařízení změnou registrů prostřednictvím sériového periferního rozhraní nebo jednoduchou metodou hardwarového páskování pinů. Sedm nastavení zesílení konfigurovatelných na pinech nabízí dodatečný dynamický rozsah systému a zlepšený šumový výkon signálového řetězce při vstupních signálech s nižší amplitudou.

Testování v automobilovém průmyslu. Model ADAQ23878 je vhodný pro techniku hardwarové smyčky („Hardware in the Loop“, HiL) – techniku digitálního dvojčete, která se používá pro testování komplexních systémů v reálném čase, jako jsou elektronické řídicí jednotky („electronic control unit“, ECU), systémy posilovače řízení, systémy odpružení, systémy řízení baterie nebo jakékoli jiné subsystémy vozidel. Použit může být mimo jiné také pro automatická testovací zařízení a aplikace nedestruktivního testování akustických emisí.

Zařízení ADAQ23878 kombinuje více bloků pro zpracování a kondicionování signálu v jediném zařízení, včetně nízkošumového FDA, stabilní referenční vyrovnávací paměti a vysokorychlostního 18bitového SAR ADC s 15 MSPS. Jeho malý půdorys 100kuličkového pouzdra CSP_BGA („chip scale package ball grid array“) 9 mm × 9 mm a rozteč 0,8 mm umožňuje kompaktnější rozměry přístroje bez obětování výkonu. Sériové digitální rozhraní s nízkonapěťovou diferenciální signalizací („low voltage differential signaling“, LVDS) s jednopásmovým nebo dvoupásmovým režimem výstupu umožňuje uživatelům optimalizovat rychlost přenosu dat rozhraní pro jednotlivé aplikace.

Závěr

Digitální transformace a automatizace zvyšují poptávku po řešeních pro získávání dat v signálovém řetězci optimalizovaných pro náročné aplikace v oblasti elektrifikace, automobilového průmyslu, digitálního zdravotnictví, přístrojové techniky, chytrého průmyslu, energetiky a udržitelnosti. Zařízení μModule precizního signálového řetězce společnosti ADI nabízí konstruktérům optimální rovnováhu integrace a flexibility, aniž by byl výkon signálového řetězce ohrožen. Eliminace mnoha diskrétních součástek snižuje riziko přepracování systému, zjednodušuje kusovník systému a může vést ke zkrácení doby do uvedení na trh a ke snížení nákladů na vývoj.