A μModule Data Acquisition Solution megkönnyíti a mérnöki kihívásokat a precíziós alkalmazások sokféleségéhez

Adatgyűjtési rendszerszintű kihívások A rendszerépítészek és áramköri szintű hardvertervezők jelentős kutatási és fejlesztési (K + F) erőforrásokat fordítanak arra, hogy nagy teljesítményű, diszkrét lineáris és precíz jellánc-blokkokat fejlesszenek ki végső alkalmazásukhoz (például tesztelés és mérés, ipari automatizálás, egészségügyi, vagy űrkutatási és védelmi) mérésére és védelmére, kondicionálására és megszerzésére, vagy szintetizálására és vezetésére. Ez a cikk egy precíziós adatgyűjtő alrendszerre összpontosít, amint az az 1. ábrán látható. 1. ábra Magas szintű adatgyűjtő rendszer blokkvázlata. Az elektronikai ipar dinamikája gyorsan fejlődik, és kevesebb idő áll rendelkezésre az analóg áramkörök kiépítésére és prototípusának létrehozására annak működésének ellenőrzésére, mivel a K + F költségvetések és a piacra kerülési idő (TTM) ellenőrzése kihívást jelent. A hardvertervezők fejlett, precíz adatkonverziós teljesítményt és fokozott robusztusságot követelnek meg az összetett tervezéseknél, egyre zsugorodó formában, a hő- és nyomtatott áramköri (PCB) sűrűség korlátai közepette. A rendszer-a-csomagban (SiP) technológián keresztül megvalósuló heterogén integráció továbbra is előmozdítja az elektronikai iparág legfontosabb tendenciáit, beleértve a nagyobb sűrűségre, a nagyobb funkcionalitásra, a jobb teljesítményre és a meghibásodási időre való átállást. Ez a cikk bemutatja, hogy az Analog Devices hogyan használja ki a heterogén integrációt, hogy megváltoztassa a precíziós konverziós feltételeket, és olyan megoldásokat kínáljon, amelyek jelentős hatást gyakorolnak az alkalmazásokra. A rendszertervezők logisztikai kihívásokkal szembesülnek, mint például az alkatrészek kiválasztása és a tervezés optimalizálása a végső prototípusok számára, valamint olyan technikai kihívások, mint az ADC bemenetek meghajtása, az ADC bemenetek védelme a túlfeszültségi eseményektől, a rendszer teljesítményének minimalizálása és a nagyobb rendszeráteresztés elérése kis teljesítményű mikrovezérlőkkel és/vagy digitális leválasztókkal . A rendszermegoldások megkülönböztetésére fokozott hangsúlyt fektetve a rendszerszoftverekre és alkalmazásokra, az OEM -ek a hardverfejlesztés helyett több erőforrást rendelnek a szoftverfejlesztéshez. Ennek eredményeként megnövekedett nyomás nehezedik a hardverfejlesztésre a tervezési iterációk csökkentése érdekében. Az adatgyűjtő jelláncokat kifejlesztő rendszertervezők jellemzően nagy bemeneti impedanciát igényelnek, hogy lehetővé tegyék a közvetlen kapcsolódást különféle érzékelőkkel, amelyeknek eltérő közös módú feszültségei lehetnek, és egypólusú vagy bipoláris egyvégű vagy differenciális bemeneti jelek lehetnek jelen. Tekintsük holisztikusan a tipikus jelláncot, amelyet diszkrét komponensek segítségével valósítunk meg, és értsük meg a rendszer tervezőjének néhány fő technikai problémáját a 2. ábra illusztrációjával. A precíziós adatgyűjtő alrendszer legfontosabb része látható, ahol a 20 V pp kimenet A műszererősítő erősítőjét egy teljesen differenciális erősítő (FDA) nem invertáló bemenetére alkalmazzák. Ez az FDA biztosítja a szükséges jel kondicionálást, beleértve a szinteltolást, a jel csillapítását, és a kimeneti lengés beállítását 0 V és 5 V között, 2.5 V közös üzemmóddal, ellentétes fázissal, ami 10 V pp differenciális jelet eredményez az ADC bemenetekhez maximalizálja dinamikus tartományát. Az erősítő tápellátását kettős, ± 15 V-os tápegység táplálja, míg az FDA +5 V/–1 V-ról, az ADC pedig 5 V-os tápellátásról. A visszacsatoló ellenállások (RF1 = RF2) és az erősítő ellenállások aránya (RG1 = RG2) az FDA nyereséget 0.5 -re állítja. Az FDA zajnyereségét (NG) a következőképpen határozzák meg: Ahol β1 és β2 visszacsatolási tényezők: Ábra 2. Egy tipikus adatgyűjtő jel lánc egyszerűsített vázlata. Ez a szakasz bemutatja, hogy az áramkör egyensúlyhiánya (azaz β1 ≠ β2) vagy a visszacsatolási és erősítési ellenállások (RG1, RG2, RF1, RF2) eltérése az FDA körül hogyan befolyásolja a kulcsfontosságú specifikációkat, mint például az SNR, torzítás, linearitás, erősítési hiba, sodródás , és adja meg a közös módú elutasítási arányt. Az FDA differenciális kimeneti feszültsége a VOCM-tól függ, így ha a β1 és β2 visszacsatolási tényezők nem egyenlők, a kimeneti amplitúdó vagy fázis bármely egyensúlyhiánya nemkívánatos közös módú komponenst eredményez a kimenetben, amelyet a zajnövekedése felerősít, és redundáns zaj és eltolás az FDA differenciális kimenetén. Ezért elengedhetetlen, hogy az erősítés/visszacsatolás ellenállások aránya jól illeszkedjen. Más szóval, a bemeneti forrás impedanciájának és az RG2 (RG1) kombinációjának meg kell egyeznie (azaz β1 = β2), hogy elkerülje a jel torzulását, az egyes kimeneti jelek közös módú feszültségének eltérését, és megakadályozza a közös üzemmód zaj az FDA -tól. A differenciális eltolás ellensúlyozásának és a kimeneti torzítás elkerülésének egyik módja az, hogy külső ellenállást sorba kell adni erősítési ellenállással (RG1). A nyereséghibák eltolódását nemcsak az ellenállástípusok választása befolyásolja, mint például egy vékonyréteg, alacsony hőmérsékletű együttható, míg a megfelelő ellenállások beszerzése kihívást jelent a költségek és a táblaterület szűkössége közepette. Ezenkívül a páratlan, bipoláris kellékek előállítása sok tervező számára kényelmetlen a nyomtatott áramköri lapok többletköltségei és az ingatlanokra vonatkozó korlátai miatt. A tervezőknek gondosan ki kell választaniuk az optimális passzív komponenseket is, beleértve az RC aluláteresztő szűrőt (amely az ADC illesztőprogram kimenete és az ADCinputok között van elhelyezve), valamint a leválasztó kondenzátort az egymást követő közelítő regiszter (SAR) ADC dinamikus referencia csomópontjához. Az RC szűrő segít csökkenteni a zajt az ADC bemeneteken, és csökkenti a SAR ADC kapacitív DAC bemenetéből származó visszarúgások hatását. A C0G vagy NP0 típusú kondenzátorokat és a soros ellenállás ésszerű értékét úgy kell megválasztani, hogy az erősítő stabil maradjon, és korlátozza a kimeneti áramot. Végül a NYÁK -elrendezés rendkívül fontos a jel integritásának megőrzése és a jellánc elvárt teljesítményének elérése érdekében. Az ügyfél tervezési útjának megkönnyítése Sok rendszertervező végül különböző jellánc -architektúrát valósít meg ugyanazon alkalmazásokhoz. Egy méret azonban nem mindenre alkalmas, ezért az Analog Devices, Inc. (ADI) a jellánc, a jel kondicionálás és a digitalizálás közös szakaszaira összpontosított, mivel teljesebb jelláncú μModule® megoldásokat kínál, amelyek fejlett teljesítményűek, és áthidalják a szakadékot a szabványos diszkrét komponensek és a nagymértékben integrált vevőspecifikus IC -k között, hogy megoldják a legfőbb fájdalmas pontjaikat. Az ADAQ4003 egy SiP megoldás, amely a legjobb egyensúlyt biztosítja a K + F költségek és az alaktényezők csökkentése között, miközben felgyorsítja a prototípusok elkészítéséhez szükséges időt. Az ADAQ4003 μModule precíziós adatgyűjtő megoldás több közös jelfeldolgozó és kondicionáló blokkot, valamint kritikus passzív komponenseket tartalmaz egyetlen eszközben, az ADI fejlett SiP technológiájának használatával (lásd 5. ábra). Az ADAQ4003 alacsony zajszintet, FDA-t, stabil referenciapuffert és nagy felbontású, 18 bites, 2 MSPS SAR ADC-t tartalmaz. Az ADAQ4003 leegyszerűsíti a jellánc kialakítását és a precíziós mérési rendszer fejlesztési ciklusát azáltal, hogy az alkatrészválasztást, az optimalizálást és az elrendezést a tervezőről átviszi magára az eszközre, és megoldja az előző részben tárgyalt összes fontos kérdést. Az FDA körüli precíziós ellenállás -tömb az ADI szabadalmaztatott iPassives® technológiájának felhasználásával készült, amely gondoskodik az áramkör egyensúlyhiányáról, csökkenti a parazitákat, segít elérni a kiváló erősítést, akár 0.005%-ig, és optimalizált sodródási teljesítményt (1 ppm/° C). Az iPassives technológia méretbeli előnyt is kínál a diszkrét passzívokkal szemben, ami minimalizálja a hőmérsékletfüggő hibaforrásokat és csökkenti a rendszerszintű kalibrációs terheket. Az FDA gyorsan leülepedő és széles, közös módú bemeneti tartománya, valamint a konfigurálható erősítési lehetőségek precíz teljesítménye (0.45, 0.52, 0.9, 1 vagy 1.9) lehetővé teszi az erősítés vagy a csillapítás beállítását, valamint a teljesen differenciált vagy egyvégű differenciál bemenet. Az ADAQ4003 egypólusú RC szűrőt tartalmaz az ADC illesztőprogram és az ADC között, amelyet úgy terveztek, hogy maximalizálja az ülepedési időt és a bemeneti jel sávszélességét. A feszültség -referencia csomóponthoz és a tápegységekhez szükséges összes leválasztó kondenzátor is megtalálható az anyagjegyzék (BOM) egyszerűsítése érdekében. Az ADAQ4003 egy referenciapuffert is tartalmaz, amely egység erősítésben van konfigurálva, hogy optimálisan vezesse a SAR ADC referencia csomópont és a megfelelő leválasztó kondenzátor dinamikus bemeneti impedanciáját. A 10 μF érték a REF csapon kritikus követelmény a belső kapacitív DAC töltésének feltöltésében a bitdöntési folyamat során, és elengedhetetlen a csúcskonverziós teljesítmény eléréséhez. A referenciapuffer beépítésével a felhasználó sokkal kisebb teljesítményű referenciaforrást valósíthat meg, mint sok hagyományos SAR ADC-alapú jellánc, mert a referenciaforrás nagy impedanciájú csomópontot hajt meg a SAR kondenzátor tömb dinamikus terhelése helyett. A felhasználó rugalmasan választhatja ki a kívánt analóg bemeneti tartománynak megfelelő referenciapuffer bemeneti feszültséget. 3. ábra Az ADAQ4003 μModule eszköz méreteinek összehasonlítása a diszkrét jellánc -megoldással. A nyomtatott áramköri lap elrendezése kritikus fontosságú a jel integritásának megőrzése és a jellánc elvárt teljesítményének elérése érdekében. Az ADAQ4003 pinoutja megkönnyíti az elrendezést, és lehetővé teszi analóg jeleit a bal oldalon, és a digitális jeleket a jobb oldalon. Más szavakkal, ez lehetővé teszi a tervezők számára, hogy az érzékeny analóg és digitális szekciókat elkülönítve és a tábla bizonyos területeire korlátozzák, és elkerüljék a digitális és analóg jelek keresztezését a sugárzó zaj csökkentése érdekében. Az ADAQ4003 minden szükséges (alacsony egyenértékű soros ellenállás (ESR) és alacsony egyenértékű sorozatinduktivitás (ESL)) leválasztó kerámia kondenzátort tartalmaz a referencia (REF) és a tápegység (VS+, VS−, VDD és VIO) csapokhoz. Ezek a kondenzátorok alacsony impedanciájú utat biztosítanak a földhöz nagy frekvenciákon az átmeneti áramok kezelésére. Nincs szükség külső leválasztó kondenzátorokra, és ezek hiányában nincs ismert teljesítményhatás vagy EMI -probléma. Ezt a teljesítményhatást az ADAQ4003 kiértékelő táblán igazolták, eltávolítva a külső leválasztó kondenzátorokat a referencia- és LDO-szabályozók kimenetéről, amelyek a fedélzeti síneket generálják (REF, VS+, VS−, VDD és VIO). A 4. ábra azt mutatja, hogy minden sarkantyú jóval -120 dB alatt van a zajszintben, függetlenül attól, hogy a külső leválasztó kondenzátorokat használják -e vagy eltávolítják. Az ADAQ4003 kis formatervezése lehetővé teszi a nagy csatornasűrűségű NYÁK -elrendezést, miközben mérsékli a termikus kihívásokat. Mindazonáltal döntő fontosságú az egyes komponensek elhelyezése és a különböző jelek továbbítása a NYÁK -on. A bemeneti és kimeneti jelek szimmetrikus irányítása, miközben a tápegység áramköreit távol tartja az analóg jelútvonaltól, egy külön tápréteget, amely a lehető legnagyobb nyomon áll, különösen fontos az alacsony impedanciájú utak biztosítása és a hibák hatásának csökkentése érdekében. vonalakat, és kerülje az EMI típusú problémát. 4. ábra: ADAQ4003 FFT rövidre zárt bemenetekkel, változatlan teljesítménnyel a különböző sínek külső leválasztó kondenzátorainak eltávolítása előtt és után. Az ADAQ4003 meghajtása nagy impedanciájú PGIA használatával Amint azt korábban említettük, a nagy bemeneti impedanciájú elülső részekre általában szükség van a különböző típusú érzékelőkkel való közvetlen csatlakozáshoz. A műszerezés és a programozható erősítésű műszererősítők (PGIA-k) többsége egyvégű kimenettel rendelkezik, amelyek nem képesek közvetlenül hajtani a teljesen differenciált adatgyűjtő jel láncot. Az LTC6373 PGIA azonban teljesen differenciális kimenetet, alacsony zajszintet, alacsony torzítást és nagy sávszélességet kínál, amelyek közvetlenül hajthatják az ADAQ4003 -at a precíziós teljesítmény feláldozása nélkül, így sok jellánc -alkalmazáshoz alkalmasak. Az LTC6373 egyenáramú kapcsolással van a bemenetre és a kimenetre programozható erősítési beállításokkal (az A2, A1 és A0 érintkezők használatával). Az 5. ábrán az LTC6373-at differenciális bemenet-differenciális kimeneti konfigurációban és kettős ± 15 V-os tápellátásban használják. Az LTC6373 szükség esetén egyvégű bemenetben is használható differenciális kimeneti konfigurációban. Az LTC6373 közvetlenül hajtja az ADAQ4003 -at, erősítése 0.454. Az LTC6373 VOCM csapja a földhöz van csatlakoztatva, és a kimenetei -5.5 V és +5.5 V között mozognak (ellentétes a fázisban). Az ADAQ4003 szintű FDA eltolja az LTC6373 kimenetét, hogy megfeleljen az ADAQ4003 kívánt bemeneti közös módjának, és biztosítja a szükséges amplitúdót az ADC maximális 2 × VREF csúcs-csúcs differenciál jeltartományának kihasználásához az ADAQ4003 μModule-n belül eszköz. A 6. és a 7. ábra az SNR és a THD teljesítményét mutatja az LTC6373 különböző erősítési beállításaival, míg a 8. ábra az INL/DNL teljesítményt ± 0.65 LSB/± 0.25 LSB az 5. ábrán látható áramkör konfiguráció esetén. 5. ábra: Az ADAQ6373 -at vezérlő LTC4003 (erősítés = 0.454, 2 MSPS). 6. ábra: SNR vs. LTC6373 erősítés beállítás, az LTC6373 hajtja az ADAQ4003 -at (erősítés = 0.454, 2 MSPS). 7. ábra: A THD és az LTC6373 erősítés beállítása, az LTC6373 hajtja az ADAQ4003 -at (erősítés = 0.454, 2 MSPS). 8. ábra INL/DNL teljesítmény, az LTC6373 (erősítés = 1) hajtja az ADAQ4003 -at (erősítés = 0.454). ADAQ4003 μModul Alkalmazás Használati eset: ATE Ez a rész arra összpontosít, hogy az ADAQ4003 hogyan illeszkedik kiválóan a forrásmérő egységekhez (SMU) és az eszköz tápegységeihez (DPS) az ATE számára. Ezeket a moduláris műszereket a chipek széles választékának tesztelésére használják a gyorsan növekvő okostelefon-, 5G-, autóipar- és IoT -piacokon. Ezek a precíziós műszerek mosogató/forrás képességgel rendelkeznek, amely minden csatornához vezérlőhurkot igényel, amely gondoskodik a programozott feszültség- és áramszabályozásról, és nagy pontosságot (különösen finom linearitást), sebességet és széles dinamikatartományt igényelnek (μA/ μV jelszintek), monotonitás és kis formatervezési tényező a párhuzamosan növekvő számú csatorna befogadására. Az ADAQ4003 áttörő pontosságú teljesítményt kínál, csökkenti a rendszer végösszetevőinek számát, és lehetővé teszi a csatorna sűrűségének növelését a tábla helyszűkei között, miközben megkönnyíti a kalibrálási terheket és a termikus kihívásokat az ilyen típusú egyenáramú mérési skálázható tesztműszereknél. Az ADAQ4003 nagy pontossága gyors mintavételi gyakorisággal kombinálva csökkenti a zajt, és a késleltetés nélkül ideális a vezérlőhurok alkalmazásokhoz, hogy optimális lépésreakciót és gyors leülepedést biztosítson a teszt hatékonyságának javítása érdekében. Az ADAQ4003 segít csökkenteni a tervezési terhet, mivel megszünteti a puffereket a referenciafeszültség elosztására a műszereken a saját sodródásuk miatt, és a táblahely szűkössége miatt. Ezenkívül a sodródási teljesítmény és az öregedés meghatározza a tesztműszer pontosságát, így az ADAQ4003 determinisztikus sodródása csökkenti az újrakalibrálás költségeit és a műszer állásidejét. Az ADAQ4003 megfelel ezeknek a követelményeknek, növeli a műszerek képességét az alacsonyabb feszültség- és áramtartományok mérésére, és segíti őket abban, hogy optimalizálják a vezérlőkörüket a különböző terhelési körülményekhez, ami közvetlenül javítja az üzemeltetési előírásokat, a teszt hatékonyságát, az áteresztőképességet és a költségeket a hangszerekhez. Ezeknek a műszereknek a magas tesztáteresztő képessége és a rövidebb vizsgálati idők közvetlenül alacsonyabb tesztköltséget jelentenek a végfelhasználók számára. Az SMU magas szintű blokkdiagramja a 9. ábrán, a megfelelő jellánc pedig az 5. ábrán látható. 9. ábra Forrásmérő egység egyszerűsített tömbvázlata. A nagy átviteli sebesség lehetővé teszi az ADAQ4003 túlmintavételezését a legalacsonyabb effektív zaj eléréséhez és a kis sávszélességű kis amplitúdójú jelek észleléséhez. Az ADAQ4003 négyszeres túlmintavétele egy további bitfelbontást biztosít (ez csak azért lehetséges, mert az ADAQ4003 elegendő linearitást biztosít - lásd a 8. ábrát), vagy 6 dB -rel növeli a dinamikatartományt - más szóval, a DR javulása ennek a túlmintavételnek köszönhetően a következőképpen van definiálva: ΔDR = 10 × log10 (OSR) dB -ben. Az ADAQ4003 tipikus dinamikus tartománya 100 dB 2 MSPS esetén 5 V -os referencia esetén, a bemenetei testzárlatosak. Ezért, amikor az ADAQ4003 típust 1024 × -es mintavétellel, 1.953 kSPS kimeneti adatsebességgel, akkor verhetetlen ~ 130 dB dinamikus tartományt kínál 0.454 és 0.9 erősítéshez, amely pontosan képes érzékelni a nagyon kis amplitúdójú μV jeleket. A 10. ábra az ADAQ4003 dinamikus tartományát és SNR -jét mutatja a különböző túlmintavételi frekvenciák és 1 kHz és 10 kHz bemeneti frekvenciák esetén. 10. ábra: ADAQ4003 dinamikus tartomány, SNR és a túlmintavételi arány (OSR) között különböző bemeneti frekvenciáknál. 11. ábra A tulajdonosi összköltség csökkenése a jellánc μModule technológia használatával. Következtetés Ez a cikk bemutatott néhány kulcsfontosságú szempontot és technikai kihívást a precíziós adatgyűjtő rendszerek tervezésével kapcsolatban, valamint azt, hogy az Analog Devices hogyan használja fel a lineáris és konverterek terén szerzett szakértelmét a rendkívül differenciált ADAQ4003 jellánc μModule megoldás kifejlesztésére a legnehezebb műszaki problémák megoldása érdekében. Az ADAQ4003 megkönnyíti a mérnöki terheket, például az alkatrészek kiválasztását és a gyártásra kész prototípusok készítését, miközben lehetővé teszi a rendszertervezők számára, hogy gyorsabban juttassanak el kiváló rendszermegoldásokat végfelhasználóikhoz. Az ADAQ4003 μModule eszköz áttörő pontosságú teljesítménye kis formatervezési tényezővel kombinálva nagyobb értéket biztosít az alkalmazások széles köréhez, amelyek a precíz adatkonverzióra összpontosítanak olyan alkalmazásokban, mint az automatizált tesztberendezések (SMU, DPS), az elektronikus tesztelés és mérés (impedancia mérés), az egészségügy (létfontosságú jelek figyelése, diagnosztika, képalkotás) és az űrkutatás (repülés), valamint néhány ipari felhasználás (gépi automatizálás bemeneti/kimeneti moduljai). A μModule megoldások, mint például az ADAQ4003, jelentősen csökkentik a rendszertervezők teljes tulajdonlási költségét (amint azt a 11. ábra mutatja az egyes területeken), és csökkenti a PCB összeszerelési költségeit, növeli a gyártási támogatást a tételek közötti hozam javításával, és lehetővé teszi a tervek újrafelhasználását skálázható/moduláris platformokhoz, és egyszerűsíti a kalibrációs terheket végső alkalmazásukban, miközben felgyorsítja a TTM -et.

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista