Simplificarea proiectării achiziției de date cu lanțul de semnale cu soluții standardizate și personalizabile

Lanțurile de semnale fac parte integrantă din numeroase sisteme electronice pentru comunicații, dispozitive biomedicale, automatizări industriale, instrumente și senzori, și multe alte aplicații. Arhitecții de sisteme și proiectanții de hardware se confruntă cu numeroase provocări logistice și tehnice în echilibrarea cerințelor specifice cu necesitatea de a reduce amprenta, de a minimiza iterațiile de proiectare și de a accelera timpul de lansare pe piață. Aceste provocări pledează în favoarea unor soluții mai standardizate, integrate, care pot fi în continuare foarte mult personalizate pentru a îndeplini cerințele aplicațiilor.

De obicei, lanțurile de semnale includ componente digitale și analogice, cum ar fi convertoare analogice-digitale (ADC), amplificatoare operaționale, izolatoare digitale și componente specifice aplicației. Inginerii și proiectanții de produse care doresc să creeze soluții optime trebuie să jongleze cu mai multe compromisuri la selectarea componentelor, inclusiv în ceea ce privește zgomotul, consumul de energie, lățimea de bandă și costurile.

Mulți proiectanți creează lanțuri de semnale pentru achiziția datelor pentru aplicații precum echipamentele de testare automată, aviație, automatizarea mașinilor, și sisteme de monitorizare, diagnosticare și imagistică din domeniul sănătății. Tendințele în domeniul hardware-ului favorizează performanța avansată de conversie a datelor cu o precizie ridicată și o robustețe sporită pentru proiectări complexe, solicitând adesea limitele termice și de densitate ale plăcilor cu circuite imprimate (PCB).

Obținerea unui debit mai mare, reducerea la minimum a consumului de energie a sistemului, precum și protejarea și comanda intrărilor ADC pot crea conflicte de proiectare în ceea ce privește utilizarea circuitelor integrate (CI) cu grad ridicat de integrare, specifice clientului, sau a componentelor standard discrete, care sunt mai rentabile. Oricare dintre aceste abordări duce la creșterea costurilor de cercetare și dezvoltare pentru realizarea blocurilor de lanțuri de semnale de înaltă performanță și precizie pentru aplicațiile finale. Abordarea specifică clientului este, de obicei, mai costisitoare, dar este probabil ca performanța dispozitivelor discrete să se degradeze în funcție de temperatura de funcționare și de durata de viață a circuitului.

Analog Devices, Inc. (ADI) abordează problemele majore de proiectare a lanțului de semnale pentru achiziția datelor prin valorificarea integrării eterogene prin intermediul tehnologiei de tip sistem în pachet (SiP) pentru a obține o densitate mai mare, funcționalitate sporită, performanță îmbunătățită și un timp mediu până la defecțiune mai lung. Soluțiile de la ADI pentru lanțul de semnale de precizie μModule® oferă o soluție compactă, personalizabilă și integrată care simplifică proiectarea, îmbunătățește performanța și reduce timpul de dezvoltare.

Îmbunătățirea densității fără pierderi de performanță

Un obiectiv cheie al lanțurilor de semnale avansate de precizie este îmbunătățirea densității lanțului de semnale fără un impact negativ asupra performanțelor, în timp ce proiectanții încearcă să includă mai multe canale în același factor de formă sau să adopte o abordare cu ADC pe fiecare canal.

Lanțurile de semnale pentru achiziția datelor trebuie să se conecteze adesea la mai mulți senzori cu tensiuni de mod comun și semnale de intrare diferite. Problemele obișnuite includ dezechilibrul circuitului sau o nepotrivire a rezistoarelor de reacție și de câștig care pot duce la un raport semnal/zgomot (SNR), o distorsiune, o eroare de câștig și rapoarte de respingere a intrării nedorite.

Soluțiile μModule de la ADI pentru lanțul de semnale de precizie integrează mai multe componente analogice și digitale într-un singur modul, utilizând tehnologia integrată de pasive a companiei – iPassives – cu circuite integrate de condiționare a semnalului și SiP-uri ADI. iPassives a fost dezvoltat de ADI cu mai mulți ani în urmă pentru a depăși limitările și complexitățile din trecut ale adoptării componentelor pasive discrete fabricate separat și conectate pe un PCB. Acest lucru oferă dezvoltatorilor un instrument de proiectare flexibil pentru a crea soluții de sistem robuste, cu cele mai bune performanțe din clasa lor și timpi scurți ai ciclului de dezvoltare.

Cu soluțiile μModule, proiectanții pot crea ceea ce pare a fi un singur dispozitiv pentru funcționalități care anterior necesitau mai multe componente discrete în soluțiile la nivel de placă. Această abordare elimină neconcordanțele și permite obținerea unor amprente mai mici.

Timp mai scurt de lansare pe piață

Proiectanții de sisteme pot atinge niveluri mai ridicate de integrare și un timp mai scurt de lansare pe piață, asigurând în același timp performanțe îmbunătățite de viteză și un consum redus de energie la un preț accesibil. Abordarea μModule permite soluții complete capsulate în amprente reduse ca dimensiune și optimizează performanța și fiabilitatea lanțului de semnale.

Soluțiile μModule de la ADI pentru lanțul de semnale de precizie au scopul de a crește densitatea într-un factor de formă mai mic prin combinarea dispozitivelor de top și a proceselor avansate de asamblare 2.5D/3D, menținând în același timp gestionarea inteligentă și eficientă a componentelor sistemului. Combinarea funcțiilor precum amplificarea, filtrarea și ADC-ul într-un singur modul elimină necesitatea de a crea o soluție complexă de lanț de semnale pentru achiziția datelor cu componente individuale. Această abordare reduce în mod considerabil fenomenele parazite de interconectivitate, cum ar fi inductanța, capacitatea și rezistența.

Cu nuclee preproiectate, fabricate, caracterizate și testate, dispozitivele μModule de la ADI pentru lanțul de semnale de precizie pot reduce semnificativ timpul de proiectare. De asemenea, acestea sunt livrate cu lanțuri de semnale preconfigurate și resurse de asistență ADI, inclusiv plăci de evaluare și kituri de dezvoltare software.

Proiectanții pot adapta parametrii și caracteristicile lanțului de semnale la cerințele specifice ale aplicațiilor prin împărțirea inteligentă a componentelor. Câștigul reglabil, lățimea de bandă, opțiunile de filtrare și alte caracteristici personalizabile alcătuiesc o platformă versatilă care răspunde diferitelor provocări de proiectare.

În loc să se chinuie cu implementarea complexă la nivel de circuit, cu dispozitivele μModule, proiectanții de sisteme se pot concentra pe proiectarea și funcționalitatea la nivel de sistem, asigurând o prototipare și o validare mai rapidă a sistemului și permițând o lansare mai rapidă pe piață a aplicațiilor inovatoare prin promovarea unei programări mai agresive a proceselor, de la definirea sistemului până la livrarea pieselor.

Componentele pasive care au un impact asupra performanței și randamentului în timpul fabricării sunt integrate în dispozitivul μModule, ceea ce duce la costuri secundare mai mici, cum ar fi cele pentru prelevarea și plasarea ansamblului, pierderile de randament ale PCB-ului sistemului, suportul pentru returnare pe teren și calibrarea lanțului de semnale. Integrarea componentelor pasive în substratul PCB reduce sursele de eroare dependente de temperatură, minimizând în același timp numărul de componente discrete și interconexiuni pe un PCB, reducând în cele din urmă îmbinările de lipit și îmbunătățind fiabilitatea.

Dispozitivele μModule ADAQ7980 (Figura 1) și ADAQ7988 de la ADI sunt sisteme de achiziție de date ADC pe 16 biți care integrează patru blocuri de procesare și condiționare a semnalelor într-o capsulă LGA de 5 mm x 4 mm. Aceste sisteme susțin diverse aplicații, inclusiv echipamente de testare automată, instrumente alimentate de baterii, comunicații, control al proceselor și instrumente medicale. Dispozitivele încorporează cele mai importante componente pasive, eliminând multe dintre provocările de proiectare asociate cu lanțurile de semnale tradiționale care utilizează ADC-uri cu registre de aproximare succesivă (SAR). În plus, mai multe dispozitive pot fi conectate în cascadă pe o singură magistrală cu 3 fire, cu o interfață periferică serială (SPI) compatibilă. Toate componentele active din SiP sunt proiectate de ADI, inclusiv:

• ADC SAR pe 16 biți de mare precizie și de joasă putere
• Driver ADC de joasă putere, cu lățime de bandă mare, impedanță de intrare ridicată
• Buffer de referință stabil de joasă putere
• Un bloc eficient de gestionare a energiei

Figura 1: Dispozitivul μModule ADAQ7980 de la ADI (Sursa: Analog Devices, Inc.)

Aplicarea dispozitivelor μModule pentru lanțul de semnale de precizie

Portofoliul ADI de dispozitive μModule de achiziție a datelor cu lanț de semnale de precizie susține o gamă largă de aplicații în diferite industrii, cum ar fi:

Comunicații. ADAQ8092 este un modul de achiziție de date pe 14 biți, 105 MSPS, de mare viteză, cu două canale μModule pentru diverse aplicații de demodulator și achiziție de date, cum ar fi emițătoare-receptoare, stații de bază celulare și infrastructură de rețea. Dispozitivul încorporează condiționarea semnalului, un driver ADC, o referință de tensiune și un ADC într-o singură capsulă. Separarea circuitelor RF și digitale reduce în mod eficient interferențele electromagnetice cauzate de omologii digitali ai componentelor electronice RF sensibile la zgomot.

Dispozitivul formează un lanț de semnale complet care integrează toate componentele active și iPassives într-o amprentă de șase ori mai mică decât o soluție discretă comparabilă. Condensatoarele de decuplare a sursei de alimentare încorporate îmbunătățesc performanța de respingere a sursei de alimentare. ADAQ8092 funcționează pe surse analogice de la 3,3 V până la 5 V și digitale de 1,8 V.

Automatizarea industrială. ADAQ7768-1 este un modul de achiziție de date de precizie pe 24 de biți care înglobează blocurile de condiționare, conversie și procesare a semnalelor. Dispozitivul acceptă diferite tipuri de intrări, inclusiv senzori IEPE, punți rezistive, intrări de tensiune și curent, pentru aplicații de monitorizare bazată pe condiții (CbM) care utilizează senzori pentru a stabili tendințe, a prezice defecțiuni, a calcula durata de viață a activelor și a garanta siguranța oamenilor.

Utilizatorii pot configura ADAQ7768-1 pentru a funcționa după două metode de configurare a dispozitivelor prin modificarea registrelor prin intermediul interfeței periferice seriale (SPI) sau printr-o metodă simplă de cuplare hardware a pinilor. Șapte setări de câștig configurabile prin pin oferă o gamă dinamică suplimentară a sistemului și o performanță îmbunătățită a zgomotului din lanțul de semnale cu semnale de intrare de amplitudine mai mică.

Testarea automobilelor. ADAQ23878 este potrivit pentru Hardware in the Loop (HiL) – o tehnică de tip geamăn digital care este utilizată pentru testarea sistemelor complexe în timp real, cum ar fi unitățile de control electronic (ECU), sistemele de servodirecție, sistemele de suspensie, sistemele de gestionare a bateriei sau orice alte subsisteme ale vehiculelor. De asemenea, poate fi utilizat pentru echipamente de testare automată și pentru aplicații de testare nedistructivă a emisiilor acustice, printre altele.

ADAQ23878 combină mai multe blocuri de procesare și condiționare a semnalelor într-un singur dispozitiv, inclusiv un FDA cu zgomot redus, un buffer de referință stabil și un ADC SAR de mare viteză, pe 18 biți, 15 MSPS. Amprenta sa mică, de 9 mm × 9 mm, pasul de 0,8 mm, configurația de tip capsulă la nivel de cip cu 100 de bile (CSP_BGA) permite realizarea unor instrumente cu factor de formă mai compact, fără a sacrifica performanța. O interfață digitală serială cu semnalizare diferențială de joasă tensiune (LVDS) cu moduri de ieșire cu o bandă sau două benzi permite utilizatorilor să optimizeze rata interfeței de transfer al datelor pentru fiecare aplicație.

Concluzie

Transformarea digitală și automatizarea stimulează cererea de soluții de achiziție de date prin lanț de semnale optimizate pentru aplicații solicitante în electrificare, industria auto, sănătate digitală, instrumentație, industrie inteligentă, energie și sustenabilitate. Dispozitivele μModule de la ADI pentru lanțul de semnale de precizie oferă proiectanților un echilibru optim între integrare și flexibilitate, fără a compromite performanța lanțului de semnale. Eliminarea multor componente discrete reduce riscul de reproiectare a sistemului, simplifică lista de materiale a sistemului și poate avea ca rezultat un timp mai scurt de introducere pe piață și costuri de dezvoltare reduse.