μMooduli andmete hankimise lahendus lihtsustab tehnilisi väljakutseid mitmesuguste täppisrakenduste jaoks

Andmete hankimise süsteemitasandi väljakutsed Süsteemi arhitektid ja vooluahela taseme riistvara projekteerijad kulutavad märkimisväärseid uurimis- ja arendusressursse, et arendada oma lõpprakenduse jaoks suure jõudlusega, diskreetseid lineaarseid ja täpset signaaliketi plokke (nt testimine ja mõõtmine, tööstusautomaatika, tervishoid või kosmosetööstus ja kaitse), et mõõta ja kaitsta, hooldada ja omandada või sünteesida ja juhtida. See artikkel keskendub täpsete andmete hankimise alamsüsteemile, nagu on näidatud joonisel 1. Joonis 1. Kõrgetasemeline andmete kogumise süsteemi plokkskeem. Elektroonikatööstuse dünaamika areneb kiiresti ning analoogskeemide ehitamiseks ja prototüüpimiseks on vähem aega, et kontrollida nende funktsionaalsust, kuna teadus- ja arendustegevuse eelarve ning turule jõudmise aeg (TTM) muutuvad keeruliseks. Riistvara disainerid nõuavad täiustatud täpset andmete teisendamist ja keerukamate konstruktsioonide suuremat töökindlust üha kahaneva vormiteguri tõttu, arvestades termilise ja trükkplaadi (PCB) tiheduse piiranguid. Heterogeenne integratsioon süsteem-pakendis (SiP) tehnoloogia kaudu edendab jätkuvalt elektroonikatööstuse peamisi suundumusi, sealhulgas üleminekut tihedamale, suuremale funktsionaalsusele, paremale jõudlusele ja pikemale keskmisele ajale rikkele. See artikkel illustreerib, kuidas analoogseadmed võimendavad heterogeenset integratsiooni, et muuta täpse teisendamise tingimusi ja pakkuda lahendusi, mis avaldavad rakendusele märkimisväärset mõju. Süsteemidisainerid seisavad silmitsi logistiliste väljakutsetega, nagu komponentide valimine ja disaini optimeerimine lõplike prototüüpide jaoks, ning tehnilised väljakutsed, nagu ADC -sisendite juhtimine, ADC -sisendite kaitsmine ülepingejuhtumite eest, süsteemi võimsuse minimeerimine ja suurema võimsuse saavutamine väikese võimsusega mikrokontrollerite ja/või digitaalsete isolaatoritega . Keskendudes rohkem süsteemitarkvarale ja rakendustele, et oma süsteemilahendust eristada, määravad originaalseadmete tootjad riistvaraarenduse asemel tarkvaraarendusele rohkem ressursse. Selle tulemusel suureneb surve riistvaraarendusele, et vähendada disaini kordusi. Süsteemidisainerid, kes töötavad välja andmete kogumise signaalide ahelaid, nõuavad tavaliselt suurt sisendtakistust, et võimaldada otsest liidest mitmete anduritega, millel võib olla erinev ühisrežiimi pinge ja ühepolaarsed või bipolaarsed ühe- või diferentsiaalsed sisendsignaalid. Vaatame terviklikult tüüpilist signaaliahelat, mis on rakendatud diskreetsete komponentide abil, ja mõistame mõningaid süsteemidisaineri peamisi tehnilisi valupunkte, nagu on näidatud joonisel 2. Täpsete andmete hankimise allsüsteemi põhiosa on näidatud, kus 20 V pp väljund mõõteriistade võimendit rakendatakse täielikult diferentsiaalvõimendi (FDA) mitteinverteerivale sisendile. See FDA pakub vajalikku signaali konditsioneerimist, sealhulgas taseme nihutamist, signaali summutamist ja väljundkiire seadmist vahemikus 0 V kuni 5 V koos 2.5 V ühisrežiimiga, vastupidiselt faasile, mille tulemuseks on 10 V pp diferentsiaalsignaal ADC sisenditele maksimeerida selle dünaamilist ulatust. Sisendvõimendit toidetakse kahe toiteallikaga ± 15 V, samas kui FDA toiteallikaks on +5 V/–1 V ja ADC toiteallikaks 5 V toide. Tagasiside takistite (RF1 = RF2) ja võimendustakistite (RG1 = RG2) suhe seab FDA võimenduseks 0.5. FDA müratõus (NG) on määratletud järgmiselt: kus β1 ja β2 on tagasiside tegurid: Joonis 2. Tüüpilise andmete kogumise signaali ahela lihtsustatud skeem. Selles jaotises tutvustatakse, kuidas ahela tasakaalustamatus (st β1 ≠ β2) või tagasiside ja võimendustakistite (RG1, RG2, RF1, RF2) ebakõla FDA ümber mõjutab peamisi spetsifikatsioone, nagu SNR, moonutus, lineaarsus, võimendusviga, triiv ja sisestage ühisrežiimi tagasilükkamissuhe. FDA diferentsiaalväljundpinge sõltub VOCM-ist, nii et kui tagasiside tegurid β1 ja β2 ei ole võrdsed, tekitab väljundi amplituudi või faasi tasakaalustamatus väljundis soovimatu ühisrežiimi komponendi, mida võimendab selle müratõus ja põhjustab üleliigne müra ja nihe FDA diferentsiaalväljundis. Seetõttu on hädavajalik, et võimenduse/tagasiside takistite suhe sobiks hästi. Teisisõnu peaks sisendallika impedantsi ja RG2 (RG1) kombinatsioon sobima (st β1 = β2), et vältida signaali moonutamist, iga väljundsignaali ühisrežiimi pinge mittevastavust ja vältida ühise režiimimüra, mis pärineb FDA -lt. Üks võimalus diferentsiaalse nihke tasakaalustamiseks ja väljundi moonutuste vältimiseks on välise takisti lisamine järjestikku võimendustakistiga (RG1). Vähe sellest, võimendusvea triivi mõjutab ka takisti tüübi valik, näiteks õhuke kile, madala temperatuurikoefitsiendiga takisti, samas kui sobivate takistite hankimine on kulude ja plaadipiirangute tõttu keeruline. Lisaks on kummaliste, bipolaarsete tarnete genereerimine paljudele disaineritele ebamugav, kuna nende PCB -d on lisakulud ja kinnisvarapiirangud. Samuti peavad disainerid hoolikalt valima optimaalsed passiivsed komponendid, sealhulgas RC madalpääsfiltri (mis on paigutatud ADC draiveri väljundi ja ADC-sisendite vahele), samuti eraldusvõimega kondensaatori järjestikuse lähendusregistri (SAR) ADC dünaamilise võrdlussõlme jaoks. RC -filter aitab piirata ADC sisendite müra ja vähendab tagasilöögi mõju, mis tuleneb SAR ADC mahtuvuslikust DAC -sisendist. Võimendi stabiilsena hoidmiseks ja selle väljundvoolu piiramiseks tuleks valida C0G või NP0 tüüpi kondensaatorid ja mõistlik jadatakistuse väärtus. Lõpuks on trükkplaadi paigutus äärmiselt oluline signaali terviklikkuse säilitamiseks ja signaaliahela oodatud jõudluse saavutamiseks. Kliendi disainiteekonna hõlbustamine Paljud süsteemidisainerid rakendavad samade rakenduste jaoks erinevat signaaliahela arhitektuuri. Kuid üks suurus ei sobi kõigile, nii et Analog Devices, Inc. (ADI) on keskendunud signaali ahela, signaali konditsioneerimise ja digiteerimise ühistele osadele, pakkudes täiustatud signaaliahela μModule® lahendusi täiustatud jõudlusega, mis ületavad lõhe standardsete diskreetsete komponentide ja kõrgelt integreeritud kliendispetsiifiliste IC -de vahel, et lahendada nende peamised valupunktid. ADAQ4003 on SiP -lahendus, mis tagab parima tasakaalu teadus- ja arendustegevuse kulude ning vormiteguri vähendamise vahel, kiirendades samal ajal prototüüpideni jõudmise aega. ADAQ4003 μModule täpsete andmete kogumise lahendus sisaldab mitmeid ühiseid signaalitöötlus- ja konditsioneerimisplokke ning kriitilisi passiivseid komponente, mis on paigutatud ühte seadmesse, kasutades ADI täiustatud SiP -tehnoloogiat (vt joonis 5). ADAQ4003 sisaldab madalat müra, FDA-d, stabiilset võrdluspuhvrit ja kõrge eraldusvõimega 18-bitist 2 MSPS SAR ADC-d. ADAQ4003 lihtsustab signaaliahela projekteerimist ja täppismõõtmissüsteemi arendustsüklit, kandes komponendi valimise, optimeerimise ja paigutuse disainerilt seadmele üle ning lahendab kõik eelmises osas käsitletud peamised probleemid. FDA ümber asuv täppistakistuste massiiv on üles ehitatud ADI patenteeritud iPassives® -tehnoloogia abil, mis hoolitseb vooluahela tasakaalustamatuse eest, vähendab parasiite, aitab saavutada suurepärast võimendust kuni 0.005%ja on optimeeritud triivimisvõimega (1 ppm/° C). IPassivesi tehnoloogia pakub ka eraldiseisvate passiividega võrreldes suurust, mis minimeerib temperatuurist sõltuvaid veaallikaid ja vähendab süsteemitaseme kalibreerimiskoormust. FDA kiire reguleerimine ja lai ühisrežiimi sisendvahemik koos täpsete jõudlustega konfigureeritavate võimendusvõimaluste jaoks (0.45, 0.52, 0.9, 1 või 1.9) võimaldavad võimenduse või summutuse reguleerimist, samuti täielikult diferentseeritud või üheotsa- diferentsiaalne sisend. ADAQ4003 sisaldab ühepooluselist RC-filtrit ADC draiveri ja ADC vahel, mis on loodud selleks, et maksimeerida settimisaega ja sisendsignaali ribalaiust. Materjalide loetelu (BOM) lihtsustamiseks on kaasas ka kõik pinge võrdlussõlme ja toiteallikate jaoks vajalikud lahtiühendamise kondensaatorid. ADAQ4003 sisaldab ka võrdluspuhvrit, mis on konfigureeritud ühtsuse võimendusega, et optimaalselt juhtida SAR ADC võrdlussõlme ja vastava lahtiühendamise kondensaatori dünaamilist sisendtakistust. 10 μF REF -i tihvtil on kriitiline nõue, mis aitab sisemise mahtuvusliku DAC -i laengut bitiotsustusprotsessi ajal täiendada ja on ülitähtis konversioonide tipptulemuse saavutamiseks. Võrdluspuhvri lisamisega saab kasutaja rakendada palju väiksema võimsusega võrdlusallikat kui paljud traditsioonilised SAR ADC-põhised signaaliahelad, kuna võrdlusallikas juhib SAR-kondensaatorimassiivi dünaamilise koormuse asemel suure takistusega sõlme. Kasutajal on paindlikkus valida võrdluspuhvri sisendpinge, mis vastab soovitud analoogsisendivahemikule. Joonis 3. ADAQ4003 μModule seadme suuruste võrdlus võrreldes diskreetse signaali ahela lahendusega. Trükkplaadi paigutus on kriitilise tähtsusega signaali terviklikkuse säilitamiseks ja signaaliahelast oodatud jõudluse saavutamiseks. ADAQ4003 pistikupesa lihtsustab paigutust ja võimaldab selle analoogsignaale vasakul ja digitaalseid signaale paremal. Teisisõnu, see võimaldab disaineritel hoida tundlikke analoog- ja digitaalsektsioone eraldatuna ja piiratud teatud plaadipiirkondadega ning vältida digitaalsete ja analoogsignaalide ristumist kiirgava müra vähendamiseks. ADAQ4003 sisaldab kõiki vajalikke (madala ekvivalentse seeriatakistusega (ESR) ja madala ekvivalentse seeria induktiivsusega (ESL)) lahutavaid keraamilisi kondensaatoreid võrdlus- (REF) ja toiteallika (VS+, VS−, VDD ja VIO) kontaktide jaoks. Need kondensaatorid pakuvad madala impedantsiga teed maapinnale kõrgetel sagedustel, et käituda mööduvate vooludega. Väliseid lahtisiduvaid kondensaatoreid pole vaja ja nende puudumisel ei ole teadaolevat mõju jõudlusele ega ühtegi EMI probleemi. Seda jõudlusmõju kontrolliti ADAQ4003 hindamiskeskkonnas, eemaldades välised lahutamiskondensaatorid võrdlus- ja LDO-regulaatorite väljundist, mis genereerivad rööpa rööpad (REF, VS+, VS−, VDD ja VIO). Joonisel 4 on näidatud, et kõik kannused on mürapõrandasse maetud tunduvalt alla –120 dB, olenemata sellest, kas väliseid lahtiühendavaid kondensaatoreid kasutatakse või eemaldatakse. ADAQ4003 väike vormitegur võimaldab suure kanalitihedusega trükkplaatide paigutust, vähendades samal ajal termilisi väljakutseid. Siiski on ülioluline üksikute komponentide paigutamine ja erinevate signaalide suunamine trükkplaadile. Sisend- ja väljundsignaalide sümmeetriline marsruutimine, hoides samal ajal toiteahela analoogsignaali rajast eemal eraldi toitekihist võimalikult suure jäljega, on eriti oluline madala takistusega teede tagamiseks ja tõrgete mõju vähendamiseks toiteallikale. read ja vältige EMI tüüpi probleemi. Joonis 4. Lühikeste sisenditega ADAQ4003 FFT, mille jõudlus on muutumatu enne ja pärast erinevate rööbaste väliste eralduskondensaatorite eemaldamist. ADAQ4003 juhtimine suure impedantsiga PGIA kasutamine Nagu eelnevalt arutatud, on erinevat tüüpi anduritega otseühendamiseks tavaliselt vaja suure sisendtakistusega esiotsa. Enamikul mõõteriistadel ja programmeeritava võimendusega mõõteriistade võimenditel (PGIA) on ühe otsaga väljundid, mis ei saa otseselt juhtida täielikult diferentseeritud andmete kogumise signaali ahelat. Kuid LTC6373 PGIA pakub täielikult diferentsiaalseid väljundeid, madalat müra, madalaid moonutusi ja suurt ribalaiust, mis võivad ADAQ4003 otse juhtida, ilma et see kahjustaks täpsust, muutes selle sobivaks paljudele signaaliahela rakendustele. LTC6373 on dc-sidestatud sisendisse ja väljundisse programmeeritavate võimendussätetega (kasutades A2, A1 ja A0 kontakte). Joonisel 5 on LTC6373 kasutatud diferentsiaalse sisendina diferentsiaalväljundi konfiguratsioonis ja kahekordses toites ± 15 V. Vajadusel saab LTC6373 kasutada ka ühepoolse sisendina diferentsiaalväljundi konfiguratsioonis. LTC6373 juhib otse ADAQ4003, mille võimenduseks on seatud 0.454. LTC6373 VOCM -tihvt on ühendatud maaga ja selle väljundid liiguvad vahemikus -5.5 V kuni +5.5 V (faasis vastupidine). ADAQ4003 taseme FDA nihutab LTC6373 väljundeid, et need vastaksid ADAQ4003 soovitud ühisele sisendrežiimile, ja annab signaali amplituudi, mis on vajalik ADC maksimaalse 2 × VREF-i tipp-tipp-signaali vahemiku kasutamiseks ADAQ4003 μMoodulis seade. Joonis 6 ja joonis 7 näitavad SNR ja THD jõudlust, kasutades LTC6373 erinevaid võimendusseadeid, samas kui joonis 8 näitab INL/DNL jõudlust ± 0.65 LSB/± 0.25 LSB joonisel 5 näidatud vooluahela konfiguratsiooni jaoks. Joonis 5. LTC6373, mis juhib ADAQ4003 (võimendus = 0.454, 2 MSPS). Joonis 6. SNR vs LTC6373 võimenduse seade, LTC6373 juhib ADAQ4003 (võimendus = 0.454, 2 MSPS). Joonis 7. THD vs LTC6373 võimenduse seade, LTC6373 juhib ADAQ4003 (võimendus = 0.454, 2 MSPS). Joonis 8. INL/DNL jõudlus, LTC6373 (võimendus = 1) juhib ADAQ4003 (võimendus = 0.454). ADAQ4003 μMoodulirakenduse kasutamise juhtum: ATE See jaotis keskendub sellele, kuidas ADAQ4003 sobib suurepäraselt ATE allikamõõtmisseadmete (SMU) ja seadme toiteallikate (DPS) jaoks. Neid modulaarseid instrumente kasutatakse mitmesuguste kiibitüüpide testimiseks kiiresti kasvava nutitelefoni, 5G, autotööstuse ja asjade Interneti turul. Nendel täppisinstrumentidel on valamu/allika võimalus, mis nõuab iga kanali jaoks juhtimisahelat, mis hoolitseb programmeeritud pinge ja voolu reguleerimise eest, ning vajavad suurt täpsust (eriti peent lineaarsust), kiirust, laia dünaamilist vahemikku (μA/ μV signaalitasemed), monotoonsus ja väike vormitegur, et mahutada paralleelselt suurenenud kanalite arv. ADAQ4003 pakub läbimurdelist täpsust, vähendab lõppsüsteemi komponentide arvu ja võimaldab parandada kanalite tihedust plaadi ruumipiirangute ajal, vähendades samal ajal nende kalibreerimiskoormust ja termilisi väljakutseid seda tüüpi alalisvoolu mõõtmise skaleeritavate testimisvahendite puhul. ADAQ4003 ülitäpne ja kiire diskreetimissagedus vähendab müra ning latentsuse puudumine muudab selle ideaalseks juhtimisahela rakenduste jaoks, pakkudes optimaalset sammu ja kiiret settimist, et parandada testimise tõhusust. ADAQ4003 aitab kergendada projekteerimiskoormust, kõrvaldades puhvrid võrdluspinge jaotamiseks instrumentidele nende enda triivi ja lauapiirangu tõttu. Lisaks määravad triivi jõudlus ja vananemine katseinstrumendi täpsuse, seega vähendab ADAQ4003 deterministlik triiv uuesti kalibreerimise kulusid ja instrumendi seisakuid. ADAQ4003 vastab nendele nõuetele, suurendab instrumentide võimet mõõta madalamaid pinge- ja vooluvahemikke ning aitab neil optimeerida oma juhtimisahelat erinevate koormustingimuste jaoks, mis tähendab otseselt toimimistingimuste, testimise efektiivsuse, läbilaskevõime ja kulude paranemist. instrumentide jaoks. Nende instrumentide suur testide läbilaskevõime ja lühemad testimisajad tähendavad otseselt lõpptarbijatele madalamat testikulusid. SMU kõrgetasemeline plokkskeem on näidatud joonisel 9 ja selle vastav signaaliahel on näidatud joonisel 5. Joonis 9. Allika mõõtühiku lihtsustatud plokkskeem. Kõrge läbilaskevõime võimaldab ADAQ4003 üleproovide võtmist, et saavutada madalaim efektiivmüra ja tuvastada väikese amplituudiga signaalid laia ribalaiuse ulatuses. ADAQ4003 üleproovimine neli korda annab ühe täiendava eraldusvõime bitti (see on võimalik ainult seetõttu, et ADAQ4003 tagab piisava lineaarsuse - vt joonis 8) või 6 dB dünaamilise vahemiku suurenemise - teisisõnu, DR -i paranemine selle üleproovimise tõttu on määratletud järgmiselt: ΔDR = 10 × log10 (OSR) dB -des. ADAQ4003 tüüpiline dünaamiline vahemik on 100 dB 2 MSPS -i puhul 5 V võrdlusanduri jaoks, mille sisendid on maapinnaga lühikesed. Seega, kui ADAQ4003 on üleproovitud 1024 × ja väljundandmete kiirusega 1.953 kSPS, pakub see ületamatut dünaamilist vahemikku ~ 130 dB võimendusega 0.454 ja 0.9, mis suudab täpselt tuvastada väga väikese amplituudiga μV signaale. Joonisel 10 on kujutatud ADAQ4003 dünaamiline ulatus ja SNR erinevate üleproovide võtmise sageduste ja sisendsageduste 1 kHz ja 10 kHz korral. Joonis 10. ADAQ4003 dünaamiline vahemik koos SNR -ga võrreldes ülavalimite sagedusega (OSR) erinevate sisendsageduste korral. Joonis 11. Omandamiskulude vähenemine signaaliketi μModule tehnoloogia abil. Kokkuvõte Käesolevas artiklis esitati mõned põhiaspektid ja tehnilised väljakutsed, mis on seotud täpsete andmekogumissüsteemide projekteerimisega ning kuidas Analog Devices kasutab oma valdkonnaalaseid teadmisi lineaarsetes ja muundurites, et töötada välja väga diferentseeritud ADAQ4003 signaaliketi μModule lahendus, et lahendada mõned kõige raskemad inseneriprobleemid. ADAQ4003 kergendab insenerikoormust, näiteks komponentide valimist ja tootmiseks valmis prototüüpide ehitamist, võimaldades samal ajal süsteemidisaineritel pakkuda oma lõpptarbijatele kiireid süsteemilahendusi. ADAQ4003 μModule seadme läbimurdeline täpsus ja väike vormitegur lisavad suuremat lisaväärtust paljudele rakendustele, mis on keskendunud andmete täpsele teisendamisele nii erinevates rakendustes nagu automatiseeritud testimisseadmed (SMU, DPS), elektrooniline testimine ja mõõtmine (impedantsi mõõtmine), tervishoid (elutähtsate märkide jälgimine, diagnostika, pildistamine) ja kosmosetööstus (lennundus), samuti mõned tööstuslikud kasutusalad (masinaautomaatika sisend-/väljundmoodulid). μMoodulite lahendused, näiteks ADAQ4003, vähendavad oluliselt süsteemide projekteerijate omandi kogukulusid (nagu on näidatud joonisel 11 igas valdkonnas) ja vähendavad trükkplaatide kokkupanekukulusid, suurendavad tootmistoetust, parandades partiidevahelist saagikust, võimaldades disaini korduvkasutust skaleeritavate/moodulplatvormide jaoks ja lihtsustavad kalibreerimiskoormust nende lõpprakenduses, kiirendades samal ajal nende TTM -i.

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri