Решение μModule для сбора данных упрощает инженерные задачи для разнообразного набора высокоточных приложений

Сбор данных Проблемы системного уровня Системные архитекторы и разработчики аппаратного обеспечения на уровне схем тратят значительные ресурсы на исследования и разработки (НИОКР) для разработки высокопроизводительных дискретных линейных и прецизионных блоков сигнальных цепей для своих конечных приложений (таких как испытания и измерения, промышленная автоматизация и т. Д.). здравоохранение или аэрокосмическая промышленность и оборона) для измерения и защиты, кондиционирования и приобретения или синтеза и управления. В этой статье основное внимание будет уделено подсистеме точного сбора данных, как показано на рисунке 1. Рисунок 1. Блок-схема системы сбора данных высокого уровня. Динамика электронной промышленности быстро развивается, и остается все меньше времени на создание и прототипирование аналоговых схем для проверки их функциональности, поскольку контроль над бюджетами на НИОКР и временем выхода на рынок (TTM) становится все более сложным. Разработчикам оборудования требуются повышенные характеристики прецизионного преобразования данных и повышенная надежность для сложных конструкций в постоянно уменьшающемся форм-факторе с учетом ограничений по температуре и плотности печатных плат (PCB). Гетерогенная интеграция с помощью технологии «система в корпусе» (SiP) продолжает продвигать ключевые тенденции в электронной промышленности, включая переход к более высокой плотности, расширенной функциональности, повышенной производительности и увеличению среднего времени до отказа. В этой статье будет показано, как Analog Devices использует гетерогенную интеграцию для изменения игрового поля прецизионного преобразования и предоставляет решения, которые оказывают значительное влияние на приложения. Разработчики систем сталкиваются с логистическими проблемами, такими как выбор компонентов и оптимизация конструкции для окончательных прототипов, и с техническими проблемами, такими как управление входами АЦП, защита входов АЦП от событий перенапряжения, минимизация мощности системы и достижение более высокой пропускной способности системы с помощью микроконтроллеров малой мощности и / или цифровых изоляторов. . С повышенным вниманием к системному программному обеспечению и приложениям, чтобы дифференцировать свои системные решения, OEM-производители выделяют больше ресурсов на разработку программного обеспечения, а не на разработку оборудования. Это приводит к увеличению нагрузки на разработку оборудования, чтобы сократить количество итераций проектирования. Разработчики систем, разрабатывающие сигнальные цепи сбора данных, обычно требуют высокого входного импеданса, чтобы обеспечить прямой интерфейс с множеством датчиков, которые могут иметь переменные синфазные напряжения и присутствуют однополярные или биполярные несимметричные или дифференциальные входные сигналы. Давайте возьмем целостный взгляд на типичную сигнальную цепочку, реализованную с использованием дискретных компонентов, и разберемся с некоторыми из основных технических проблем разработчика системы с иллюстрацией на рисунке 2. Показана ключевая часть подсистемы прецизионного сбора данных, где выходной сигнал 20 В pp. измерительного усилителя подается на неинвертирующий вход полностью дифференциального усилителя (FDA). Этот FDA обеспечивает необходимое преобразование сигнала, включая сдвиг уровня, ослабление сигнала и настройку размаха выходного сигнала от 0 В до 5 В с синфазным напряжением 2.5 В, противоположным по фазе, в результате чего на входах АЦП будет подаваться дифференциальный сигнал 10 В (размах). максимально увеличить его динамический диапазон. Входной усилитель питается от двух источников питания ± 15 В, тогда как FDA получает питание от +5 В / –1 В, а АЦП - от источника питания 5 В. Отношение резисторов обратной связи (RF1 = RF2) к резисторам усиления (RG1 = RG2) устанавливает коэффициент усиления FDA равным 0.5. Коэффициент усиления шума (NG) FDA определяется как: где β1 и β2 - коэффициенты обратной связи: Рисунок 2. Упрощенная схема типичной сигнальной цепи сбора данных. В этом разделе будет показано, как дисбаланс схемы (то есть β1 ≠ β2) или несоответствие резисторов обратной связи и усиления (RG1, RG2, RF1, RF2) в соответствии с FDA влияет на ключевые характеристики, такие как SNR, искажение, линейность, ошибка усиления, дрейф , и коэффициент подавления синфазного сигнала на входе. Дифференциальное выходное напряжение FDA зависит от VOCM, поэтому, когда коэффициенты обратной связи β1 и β2 не равны, любой дисбаланс выходной амплитуды или фазы создает нежелательный синфазный компонент на выходе, который усиливается его шумовым усилением и вызывает избыточный шум и смещение в дифференциальном выходе ПВМ. Следовательно, крайне важно, чтобы соотношение резисторов усиления / обратной связи соответствовало хорошему. Другими словами, комбинация входного импеданса источника и RG2 (RG1) должна совпадать (то есть β1 = β2), чтобы избежать искажения сигнала, рассогласования синфазного напряжения каждого выходного сигнала и предотвращения увеличения синфазного сигнала. режим шума поступает от FDA. Один из способов уравновесить дифференциальное смещение и избежать искажений на выходе - добавить внешний резистор последовательно с резистором усиления (RG1). Мало того, дрейф ошибки усиления также зависит от выбора типа резистора, такого как тонкопленочный резистор с низким температурным коэффициентом, в то время как поиск согласованных резисторов является сложной задачей из-за ограничений по стоимости и месту на плате. Кроме того, создание нечетных биполярных источников питания неудобно для многих дизайнеров из-за дополнительных затрат и ограничений, связанных с недвижимостью, на их печатных платах. Разработчикам также необходимо тщательно выбирать оптимальные пассивные компоненты, включая RC-фильтр нижних частот (который помещается между выходом драйвера АЦП и входами АЦП), а также развязывающий конденсатор для динамического опорного узла АЦП регистра последовательного приближения (SAR). RC-фильтр помогает ограничить шум на входах АЦП и снижает эффект отдачи, исходящей от емкостного входа ЦАП АЦП последовательного приближения. Следует выбирать конденсаторы типа C0G или NP0 и разумное значение последовательного сопротивления, чтобы поддерживать стабильность усилителя и ограничивать его выходной ток. Наконец, компоновка печатной платы чрезвычайно важна для сохранения целостности сигнала и достижения ожидаемых характеристик сигнальной цепи. Облегчение пути проектирования для заказчика Многие разработчики систем в конечном итоге реализуют разные архитектуры сигнальных цепей для одних и тех же приложений. Однако один размер не подходит всем, поэтому Analog Devices, Inc. (ADI) сосредоточилась на общих участках сигнальной цепи, формирования сигнала и оцифровки, предоставив более полные решения μModule® для сигнальной цепи с улучшенными характеристиками, которые устраняют разрыв между стандартными дискретными компонентами и высокоинтегрированными индивидуальными ИС заказчика для решения их основных проблем. ADAQ4003 - это решение SiP, которое обеспечивает наилучший баланс между затратами на исследования и разработки и уменьшением форм-фактора при ускорении времени создания прототипов. Решение для прецизионного сбора данных ADAQ4003 μModule включает в себя несколько общих блоков обработки и согласования сигналов, а также критически важные пассивные компоненты, объединенные в одно устройство с использованием передовой технологии SiP от ADI (см. Рисунок 5). ADAQ4003 включает в себя низкий уровень шума, FDA, стабильный буфер опорного сигнала и 18-разрядный АЦП SAR с быстродействием 2 MSPS с высоким разрешением. ADAQ4003 упрощает проектирование сигнальной цепи и цикл разработки системы прецизионных измерений, передавая выбор компонентов, оптимизацию и компоновку от разработчика к самому устройству, и решает все основные проблемы, обсуждавшиеся в предыдущем разделе. Массив прецизионных резисторов вокруг FDA построен с использованием запатентованной технологии ADI iPassives®, которая устраняет дисбаланс схемы, уменьшает паразитные помехи, помогает достичь превосходного согласования усиления до 0.005% и имеет оптимизированные характеристики дрейфа (1 ppm / ° C). Технология iPassives также предлагает преимущество в размере по сравнению с дискретными пассивными элементами, что сводит к минимуму источники ошибок, зависящих от температуры, и снижает нагрузку на калибровку на уровне системы. Быстрая установка и широкий входной диапазон синфазного сигнала FDA, наряду с точными характеристиками для настраиваемых параметров усиления (0.45, 0.52, 0.9, 1 или 1.9), позволяют регулировать усиление или затухание, а также полностью дифференциальные или несимметричные. к дифференциальному входу. ADAQ4003 включает однополюсный RC-фильтр между драйвером АЦП и АЦП, который был разработан для максимального увеличения времени установления и ширины полосы входного сигнала. Все необходимые развязывающие конденсаторы для узла опорного напряжения и источников питания также включены для упрощения ведомости материалов (BOM). ADAQ4003 также содержит буфер опорного сигнала, сконфигурированный с единичным усилением для оптимального управления динамическим входным сопротивлением опорного узла АЦП последовательного приближения и соответствующего развязывающего конденсатора. Значение 10 мкФ на выводе REF является критическим требованием для пополнения заряда внутреннего емкостного ЦАП во время процесса принятия битового решения и жизненно важно для достижения пиковых характеристик преобразования. С включением опорного буфера пользователь может реализовать опорный источник с гораздо меньшей мощностью, чем многие традиционные сигнальные цепи на основе АЦП SAR, поскольку опорный источник управляет узлом с высоким импедансом вместо динамической нагрузки массива конденсаторов SAR. Пользователь может выбрать входное напряжение опорного буфера, которое соответствует желаемому диапазону аналогового входа. Рис. 3. Сравнение размеров устройства ADAQ4003 μModule и решения для дискретной сигнальной цепи. Компоновка печатной платы имеет решающее значение для сохранения целостности сигнала и достижения ожидаемых характеристик сигнальной цепи. Распиновка ADAQ4003 упрощает компоновку и позволяет аналоговым сигналам слева и цифровым сигналам справа. Другими словами, это позволяет разработчикам разделять чувствительные аналоговые и цифровые секции и ограничивать их определенными областями платы и избегать перекрещивания цифровых и аналоговых сигналов для уменьшения излучаемого шума. ADAQ4003 включает в себя все необходимые (с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и низкой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL)) развязывающие керамические конденсаторы для опорных (REF) контактов и контактов питания (VS +, VS-, VDD и VIO). Эти конденсаторы обеспечивают путь к земле с низким импедансом на высоких частотах для управления переходными токами. Внешние развязывающие конденсаторы не требуются, и в отсутствие этих конденсаторов нет известного влияния на производительность или каких-либо проблем с электромагнитными помехами. Это влияние на производительность было проверено на оценочной плате ADAQ4003 путем удаления внешних развязывающих конденсаторов на выходе опорного регулятора и стабилизатора LDO, которые генерируют бортовые шины (REF, VS +, VS-, VDD и VIO). На Рисунке 4 показано, что любые паразиты скрываются ниже -120 дБ в минимальном уровне шума, независимо от того, используются ли внешние развязывающие конденсаторы или нет. Компактный форм-фактор ADAQ4003 обеспечивает возможность компоновки печатной платы с высокой плотностью каналов и снижает тепловые проблемы. Однако размещение отдельных компонентов и маршрутизация различных сигналов на печатной плате имеет решающее значение. Симметричная маршрутизация входных и выходных сигналов при сохранении схемы источника питания вдали от тракта аналогового сигнала на отдельном уровне мощности с максимально возможной шириной трассы особенно важна для обеспечения трактов с низким импедансом и уменьшения влияния сбоев на источник питания. линий и избежать проблемы типа EMI. Рис. 4. БПФ ADAQ4003 с закороченными входами с неизменной производительностью до и после удаления внешних развязывающих конденсаторов для различных шин. Управление ADAQ4003 с использованием PGIA с высоким импедансом Как обсуждалось ранее, входные модули с высоким входным импедансом обычно требуются для прямого подключения к различным типам датчиков. Большинство измерительных приборов и инструментальных усилителей с программируемым усилением (PGIA) имеют несимметричные выходы, которые не могут напрямую управлять полностью дифференциальной сигнальной цепочкой сбора данных. Тем не менее, LTC6373 PGIA предлагает полностью дифференциальные выходы, низкий уровень шума, низкие искажения и широкую полосу пропускания, что позволяет напрямую управлять ADAQ4003 без ущерба для точности характеристик, что делает его пригодным для многих приложений сигнальной цепи. LTC6373 имеет связь по постоянному току на входе и выходе с программируемыми настройками усиления (с использованием контактов A2, A1 и A0). На рис. 5 LTC6373 используется в конфигурации с дифференциальным входом и дифференциальным выходом и с двумя источниками питания ± 15 В. При необходимости LTC6373 также может использоваться в конфигурации с несимметричным входом и дифференциальным выходом. LTC6373 напрямую управляет ADAQ4003 с коэффициентом усиления 0.454. Вывод VOCM LTC6373 подключен к земле, а его выходы колеблются в пределах от –5.5 В до +5.5 В (противоположные по фазе). FDA уровня ADAQ4003 сдвигает выходы LTC6373 в соответствии с желаемым входным синфазным режимом ADAQ4003 и обеспечивает амплитуду сигнала, необходимую для использования максимального размаха разностного сигнала 2 × VREF для АЦП внутри микромодуля ADAQ4003. устройство. На рисунках 6 и 7 показаны характеристики SNR и THD с использованием различных настроек усиления LTC6373, а на рисунке 8 показаны характеристики INL / DNL ± 0.65 LSB / ± 0.25 LSB для конфигурации схемы, показанной на рисунке 5. Рисунок 5. LTC6373 с ADAQ4003 (усиление = 0.454, 2 MSPS). Рисунок 6. SNR в зависимости от настройки усиления LTC6373, когда LTC6373 управляет ADAQ4003 (усиление = 0.454, 2 MSPS). Рисунок 7. THD в зависимости от настройки усиления LTC6373, когда LTC6373 управляет ADAQ4003 (коэффициент усиления = 0.454, 2 MSPS). Рисунок 8. Характеристики INL / DNL с LTC6373 (усиление = 1), управляющим ADAQ4003 (усиление = 0.454). Пример использования приложения μModule ADAQ4003: ATE В этом разделе мы рассмотрим, как ADAQ4003 отлично подходит для использования в качестве источников измерения (SMU) и источников питания (DPS) для ATE. Эти модульные инструменты используются для тестирования самых разных типов микросхем на быстрорастущих рынках смартфонов, 5G, автомобилей и Интернета вещей. Эти прецизионные инструменты имеют возможность приемника / источника, для чего требуется контур управления для каждого канала, который заботится о запрограммированном регулировании напряжения и тока, и они требуют высокой точности (особенно точной линейности), скорости, широкого динамического диапазона (для измерения мкА / Уровни сигнала мкВ), монотонность и малый форм-фактор для размещения увеличенного количества параллельных каналов. ADAQ4003 обеспечивает непревзойденную точность, уменьшает количество компонентов конечной системы и позволяет повысить плотность каналов в условиях ограниченного пространства на плате, одновременно облегчая калибровку и тепловые проблемы для этих типов масштабируемых измерительных приборов для измерения постоянного тока. Высокая точность ADAQ4003 в сочетании с высокой частотой дискретизации снижает уровень шума, а отсутствие задержки делает его идеальным для приложений контура управления, обеспечивая оптимальную реакцию на скачок и быструю настройку для повышения эффективности тестирования. ADAQ4003 помогает облегчить нагрузку на проектирование, устраняя буферы для распределения опорного напряжения по приборам из-за их собственного дрейфа и из-за нехватки места на плате. Кроме того, характеристики дрейфа и старение определяют точность испытательного прибора, поэтому детерминированный дрейф ADAQ4003 снижает стоимость повторной калибровки и время простоя прибора. ADAQ4003 отвечает этим требованиям, расширяет возможности приборов для измерения более низких диапазонов напряжения и тока и помогает им оптимизировать контур управления для различных условий нагрузки, что напрямую приводит к улучшению рабочих характеристик, эффективности тестирования, пропускной способности и стоимости. для инструментов. Высокая пропускная способность и более короткое время тестирования этих инструментов напрямую приводят к снижению затрат на тестирование для конечных пользователей. Блок-схема верхнего уровня SMU показана на рисунке 9, а соответствующая сигнальная цепочка - на рисунке 5. Рисунок 9. Упрощенная структурная схема блока измерения источника. Высокая пропускная способность обеспечивает передискретизацию ADAQ4003 для достижения наименьшего среднеквадратичного шума и обнаружения сигналов малой амплитуды в широкой полосе пропускания. Передискретизация ADAQ4003 в четыре раза обеспечивает один дополнительный бит разрешения (это возможно только потому, что ADAQ4003 обеспечивает достаточную линейность - см. Рисунок 8) или увеличение динамического диапазона на 6 дБ - другими словами, улучшение DR за счет этой передискретизации определяется как: ΔDR = 10 × log10 (OSR) в дБ. Типичный динамический диапазон ADAQ4003 составляет 100 дБ при 2 MSPS для опорного напряжения 5 В с замкнутыми на землю входами. Следовательно, когда ADAQ4003 подвергается передискретизации в 1024 раза при скорости выходных данных 1.953 kSPS, он предлагает непревзойденный динамический диапазон ~ 130 дБ для коэффициентов усиления 0.454 и 0.9, что позволяет точно обнаруживать сигналы мкВ с очень малой амплитудой. На рисунке 10 показаны динамический диапазон и отношение сигнал / шум ADAQ4003 для различных частот передискретизации и входных частот 1 кГц и 10 кГц. Рис. 10. Динамический диапазон ADAQ4003 с соотношением отношения сигнал / шум в зависимости от частоты передискретизации (OSR) для различных входных частот. Рис. 11. Снижение совокупной стоимости владения за счет технологии сигнальной цепи μModule. Заключение В этой статье представлены несколько ключевых аспектов и технических проблем, связанных с проектированием систем сбора точных данных, а также то, как компания Analog Devices использует свой опыт в области линейных устройств и преобразователей для разработки решения μModule для высокодифференцированной сигнальной цепи ADAQ4003 для решения некоторых из самых сложных инженерных проблем. ADAQ4003 упрощает такие инженерные задачи, как выбор компонентов и создание готовых к производству прототипов, позволяя разработчикам систем быстрее предоставлять выдающиеся системные решения своим конечным клиентам. Революционная точность устройства ADAQ4003 μModule в сочетании с малым форм-фактором добавляет большую ценность для широкого круга приложений, ориентированных на прецизионное преобразование данных для таких разнообразных приложений, как автоматизированное испытательное оборудование (SMU, DPS), электронные испытания и измерения (измерение импеданса), здравоохранение (мониторинг жизненно важных функций, диагностика, визуализация) и аэрокосмическая промышленность (авиация), а также некоторые промышленные применения (модули ввода / вывода для автоматизации машин). Решения μModule, такие как ADAQ4003, значительно снижают общую стоимость владения для разработчиков системы (как показано на Рисунке 11 в каждой из областей) и снижают стоимость сборки печатной платы, увеличивают поддержку производства за счет повышения выхода продукции от партии к партии, позволяют повторно использовать конструкцию для масштабируемых / модульных платформ и упростить калибровку в их конечном приложении, одновременно ускорив их TTM.

Оставить сообщение 

Список сообщений