Cum să economisiți spațiu și să reduceți timpul de dezvoltare atunci când proiectați sisteme de precizie pentru achiziția de date

Proiectanții de sisteme pentru automatizare industrială și din domeniul medical utilizează din ce în ce mai mult tehnologii avansate de detectare și captare a imaginilor statice și video pentru digitizare și analiză. Cu toate acestea, analiza depinde de datele de intrare, a căror achiziție se bazează pe blocuri precise și stabile de conversie și de condiționare a semnalelor, de înaltă performanță și cu un interval dinamic ridicat. Proiectarea acestor blocuri prin metode cu circuite discrete necesită resurse de proiectare considerabile, spațiu pe placă și timp, toate acestea adăugându-se la costul total.

În același timp, proiectanții trebuie să se asigure că sistemele lor finale rămân competitive, ceea ce înseamnă reducerea costurilor și a timpului de lansare pe piață cât mai mult posibil, asigurând în același timp performanțe remarcabile.

Acest articol descrie pe scurt un sistem tipic de achiziție de date și elementele sale de bază. Apoi prezintă un modul de achiziție de date (DAQ) de la Analog Devices Inc., care integrează multe dintre aceste elemente critice pentru a oferi performanțe stabile, pe 18 biți, de 2 megaeșantioane pe secundă (MS/s). De asemenea, prezintă și o placă de evaluare pentru a-i ajuta pe proiectanți să se familiarizeze cu modulul și cu modul de utilizare a acestuia.

Elementele unui sistem DAQ

În Figura 1 se prezintă un sistem tipic de achiziție de date. Semnalul de interes este preluat de un senzor care emite un semnal electric ca răspuns la anumite fenomene fizice. Ieșirile senzorului pot avea un singur capăt sau pot fi diferențiale și pot necesita o anumită condiționare a semnalului, cum ar fi filtrarea. Pentru a obține intervalul dinamic maxim posibil de la convertorul analogic-digital (ADC), semnalul trebuie amplificat pentru a se potrivi cu gama de tensiune de intrare a ADC-ului. În general, câștigul amplificatorului și decalajul sunt controlate de rezistoare de precizie care trebuie să fie atent adaptate pentru considerente dinamice și de abatere a temperaturii. De obicei, dependențele de temperatură necesită o apropiere fizică cu componentele. Condițiile dinamice includ nivelurile de zgomot și de distorsiune care trebuie reduse la minimum.

Figura 1: un sistem DAQ tipic achiziționează date de la un senzor, le condiționează, optimizează amplitudinea semnalului aplicat la ADC și comunică datele digitale către procesorul sistemului. (Sursă imagine: Analog Devices)

ADC-ul registrului de aproximare succesivă (SAR) trebuie să aibă un interval dinamic suficient, indicat de numărul de biți de rezoluție. De asemenea, necesită o referință de tensiune tamponată, stabilă și curată.

În cele din urmă, datele obținute trebuie să fie accesibile prin intermediul unei interfețe de comunicații. Implementarea unui astfel de sistem de achiziție de date folosind componente discrete necesită mai mult spațiu fizic și, adesea, duce la o performanță mult mai slabă decât cea obținută de la un dispozitiv integrat. Ca exemplu, luați în considerare faptul că cerințele de performanță ale unui amplificator diferențial pentru acționarea unui ADC sunt de așa natură încât rezistoarele de intrare și de reacție pe ambele picioare ale intrării amplificatorului trebuie să fie bine potrivite, deoarece orice dezechilibru va reduce raportul de respingere a modului comun (CMRR). În mod similar, rezistoarele de intrare trebuie să fie adaptate cu precizie la rezistoarele de reacție pentru a seta câștigul etajului. De asemenea, aceste rezistoare trebuie să urmărească temperatura, ceea ce necesită ca acestea să fie amplasate aproape unul de celălalt. În plus, dispunerea generală a circuitului este esențială pentru păstrarea integrității semnalului și minimizarea răspunsului parazitar.

Modulul DAQ integrat economisește timp și spațiu

Pentru a îndeplini cerințele de performanță, reducând în același timp dimensiunea și timpul de proiectare, proiectanții pot utiliza sistemul ADAQ4003BBCZ µModule de la Analog Devices în pachet (SIP) ca o alternativă la implementările discrete (Figura 2). Având dimensiunea de 7 x 7 milimetri (mm), ADAQ4003 se concentrează pe integrarea celor mai comune secțiuni ale unui lanț de semnal, inclusiv condiționarea și digitizarea semnalului, pentru a oferi o soluție mai completă de lanț de semnal cu performanțe avansate. În acest fel, umple golul dintre componentele discrete standard și circuitele integrate specifice clientului, cu grad înalt de integrare, pentru a satisface nevoile de achiziție de date.

Figura 2: o vedere în secțiune a unui SIP µModule care combină mai multe blocuri comune de procesare a semnalelor într-un singur dispozitiv care măsoară doar 7 mm pe o latură. (Sursă imagine: Analog Devices)

ADAQ4003 combină un ADC SAR pe 18 biți, de înaltă rezoluție, care funcționează la o viteză de până la 2 MS/s, un amplificator de acționare ADC (FDA) cu zgomot redus, complet diferențial, un tampon de referință de tensiune stabil și toate dispozitivele pasive critice necesare. Pachetul său mic, cu 49 de contacte, cu matrice cu bile (BGA) îndeplinește cerințele unui factor de formă compact.

ADAQ4003 oferă o reducere de peste patru ori (4x) a suprafeței plăcii de circuite imprimate în comparație cu o dispunere discretă, după cum se arată în Figura 3.

Figura 3: ADAQ4003 (stânga) cu capacul îndepărtat, în comparație cu un circuit identic implementat cu componente discrete, ocupă mai puțin de un sfert din suprafața acestuia. (Sursă imagine: Analog Devices)

Avantajele µModule în comparație cu implementarea discretă sunt numeroase. Având o amprentă mai mică, componentele sunt fizic apropiate pentru o mai bună urmărire a temperaturii, precum și pentru reducerea efectelor parazite datorate inductanței și capacității de dispersie.

Schema bloc funcțională a ADAQ4033 prezintă cele patru componente cheie care se regăsesc în orice sistem de achiziție de date (Figura 4).

Figura 4: schema bloc funcțională a ADAQ4003 arată cât de multe lucruri sunt incluse în pachetul BGA de 7 x 7 mm, cu 49 de contacte. (Sursă imagine: Analog Devices)

În ciuda dimensiunilor sale fizice reduse, ADAQ4003 încorporează componentele pasive critice prin utilizarea tehnologiei iPassives de la Analog Devices. Dispozitivele pasive integrate sunt fabricate pe substraturi pe care sunt produse simultan mai multe rețele pasive. Procesul de fabricație produce aceste piese cu mare precizie. De exemplu, componentele matricei de rezistoare sunt potrivite cu o precizie de 0,005%. Componentele adiacente, distanțate foarte strâns, sunt bine potrivite în ceea ce privește valoarea inițială, cu siguranță mult mai bine decât componentele pasive discrete. Implementate pe un substrat comun, valorile componentelor vor fi mai bine monitorizate în funcție de temperatură, de solicitările mecanice și de îmbătrânirea în timp, datorită structurii integrate a componentelor.

După cum s-a menționat, ADC-ul SAR pe 18 biți poate fi sincronizat la o viteză de până la 2 MS/s, dar funcționează fără stări de cod lipsă. Valoarea precisă și potrivirea componentelor pasive asigură o performanță excelentă a ADC-ului. Acesta are un raport tipic semnal/zgomot și distorsiune (SINAD) de 99 decibeli (dB) la o setare a câștigului de 0,454. Neliniaritatea sa integrală este, de obicei, de 3 părți pe milion (ppm). Rețeaua de rezistoare de intrare poate fi conectată la pini, permițând setări de câștig de 0,454, 0,909, 1,0 sau 1,9 pentru a potrivi intrarea la intervalul complet al ADC-ului, maximizând astfel intervalul dinamic al acestuia. Potrivirea componentelor critice are ca rezultat o abatere a erorii de câștig de ± 0,5 ppm/C° și o abatere a erorii de decalaj de 0,7 ppm/C° pe gama de câștig de 0,454.

Blocul ADC este precedat de driverul FDA cu un CMRR de 90 dB pe toate gamele de câștig în configurația diferențială. Amplificatorul are o gamă foarte largă de intrare în mod comun, care depinde de configurațiile specifice ale circuitului și de setările de câștig. FDA poate fi utilizat ca amplificator diferențial, dar poate efectua și conversia de la un singur capăt la diferențial pentru intrări cu un singur capăt.

Există un filtru RC unipolar, implementat diferențial folosind componente interne între driverul FDA și ADC. Acesta este conceput pentru a limita zgomotul la intrările ADC și pentru a reduce efectul retururilor de tensiune provenite de la intrarea capacitivă a convertorului digital-analogic (DAC) a unui ADC SAR.

De asemenea, ADAQ4003 găzduiește un tampon de referință configurat la câștig unitar pentru a acționa în mod optim impedanța de intrare dinamică a nodului de referință ADC SAR. În plus, sunt incluse toate condensatoarele de decuplare necesare pentru nodul de referință de tensiune și sursele de alimentare. Aceste condensatoare de decuplare au o rezistență echivalentă în serie (ESR) și o inductanță echivalentă în serie (ESL) scăzute. Faptul că acestea sunt interne la ADAQ4003 simplifică și mai mult lista de materiale (BOM).

Interfața digitală pentru ADAQ4003 utilizează o interfață periferică serială (SPI) care este compatibilă cu DSP, MICROWIRE și QSPI. Utilizând o sursă VIO separată, interfața de ieșire este compatibilă cu o logică de 1,8 volți, 2,5 volți, 3 volți sau 5 volți.

ADAQ4003 funcționează cu o disipare de putere totală redusă – doar 51,5 miliwați (mW) la frecvența maximă de ceas de 2 MS/s – și cu o disipare de putere mai mică la frecvențe de ceas mai mici.

Dispunerea fizică a ADAQ4003 ajută proiectanții să mențină integritatea semnalului și performanța prin separarea semnalelor analogice și digitale. Schema pinilor prezintă semnale analogice în stânga și semnale digitale în dreapta, permițând proiectanților să izoleze secțiunile analogice și digitale sensibile pentru a minimiza orice fenomen de crossover.

Modele de circuite

Analog Devices pune la dispoziție modele de simulare, oferind un model pentru ADAQ4003 în simulatorul său gratuit LTspice. De asemenea, oferă și un model IBIS pentru alte simulatoare de circuite comerciale.

LTspice include un circuit de referință de bază care utilizează ADAQ4003, prezentat în Figura 5. Dispozitivul este utilizat într-o configurație de intrare diferențială, iar rezistoarele de intrare sunt legate pentru a seta câștigul FDA la 0,454 prin legarea în serie a rezistoarelor de intrare de 1,0 și 1,1 kilohm (kΩ). Setarea tensiunii de referință a modelului este de 5 volți și utilizează un ceas de conversie de 2 MS/s.

Figura 5: ADI pune la dispoziție modele de simulare LTspice pentru ADAQ4003 folosind o configurație de intrare diferențială. (Sursa imaginii: Art Pini)

Modelul LTspice este un punct de plecare pentru orice proiect care poate fi verificat ulterior cu ajutorul unei plăci de evaluare.

Plăci de evaluare

Atunci când vă gândiți la ADAQ4003, este înțelept să îl testați folosind placa de evaluare EVAL-ADAQ4003FMCZ. Acest set cu mai multe plăci include placa de evaluare și o placă de tip mezanin pentru matrice programabilă în câmp. Acestea funcționează cu platforma demonstrativă de sistem EVAL-SDP-CH1Z de la Analog Devices. În plus, ADI oferă software-ul demonstrativ de analiză/control/evaluare (ACE) cu plugin-uri specifice produsului, permițând utilizatorului să efectueze teste detaliate ale produsului, inclusiv analiza armonică și măsurători integrale și diferențiale ale neliniarității.

Concluzie

Pentru proiectanții care au sarcina de a dezvolta rapid sisteme DAQ de înaltă performanță, menținând în același timp dimensiunile și costurile la un nivel minim, µModule ADAQ4003 este o opțiune bună. Dispozitivul reduce ciclul de dezvoltare a unui sistem de măsurare de precizie prin eliminarea provocărilor de proiectare a lanțului de semnale legate de selecția, optimizarea și dispunerea componentelor discrete. ADAQ4003 simplifică și mai mult procesul de proiectare prin furnizarea unei singure componente cu o soluție de achiziție de date optimizată și eficientă din punctul de vedere al spațiului, ca bază pentru un proiect personalizat.