Hely és fejlesztési idő megtakarítása precíziós adatgyűjtő rendszerek tervezésekor

Az ipari automatizálási és egészségügyi rendszerek tervezői egyre gyakrabban alkalmaznak korszerű érzékelési, észlelési, valamint kép- és videófelvételi technológiát a digitalizáláshoz és adatelemzéshez. Az elemzés azonban csak annyira lehet jó, mint a bemeneti adatok minősége, amelyek begyűjtésére nagy teljesítményű, széles dinamikatartományú, pontos és stabil jelkondicionáló- és konverziós blokkokat használnak. Ezeknek a blokkoknak diszkrét áramköri módszerekkel történő kialakítása jelentős mennyiségű tervezési eszközt, helyet és időt igényel, amelyek mind növelik az összköltséget.

Ugyanakkor a tervezőknek biztosítaniuk kell, hogy végrendszereik versenyképesek maradjanak, ami azt jelenti, hogy a lehető legnagyobb mértékben csökkenteniük kell a költségeket és a piacra kerülési időt, de mégis biztosítva a kiemelkedő teljesítményt.

Ez a cikk egy tipikus adatgyűjtő rendszert és annak fő elemeit ismerteti röviden. Ezután bemutat egy adatgyűjtő (DAQ) modult az Analog Devices Inc.-től, amely integrált formában számos ilyen kritikus elemet tartalmaz, amelyek egy stabil, 18 bites, 2 megaminta/másodperces (MS/s) működési teljesítmény biztosításához szükségesek. Egy fejlesztői kártya is bemutatásra kerül, amelynek segítségével a tervezők megismerkedhetnek a modullal és annak használatával.

A DAQ rendszerek elemei

Az 1. ábrán egy tipikus adatgyűjtő rendszer blokk vázlata látható. A vizsgált jelet egy érzékelő fogja fel, és az adott fizikai jelenségre reagálva elektromos jelet bocsát ki. Az érzékelő kimenetei lehetnek közös földpontúak vagy differenciálisak, és szükség lehet némi jelkondicionálásra, például szűrésre. Az analóg-digitális átalakító (ADC) által nyújtható lehető legszélesebb dinamikatartomány kihasználása érdekében a jelet az ADC bemeneti feszültségtartományának megfelelően kell erősíteni. Az erősítő erősítését és az offset hibát általában precíziós, és egymással gondosan összehangolt ellenállásokkal szabályozzák, a dinamikai és hőmérsékleti drift figyelembevételével. A hőmérsékletfüggőségek miatt általában megkövetelt, hogy az alkatrészek fizikailag közel legyenek egymáshoz. A dinamikus hatások közé tartozik a zaj- és torzítási szint, amelyeket minimalizálni kell.

1. ábra: Egy tipikus adatgyűjtő rendszer az adatokat egy érzékelőtől veszi, kondicionálja azokat, optimalizálja az ADC-re vezetett jel amplitúdóját, és továbbítja a digitális adatokat a rendszerprocesszorhoz (kép: Analog Devices)

A szukcesszív approximációs regiszter (SAR) vezérlésű ADC-nek elegendően széles dinamikatartománnyal kell rendelkeznie; ez ki is derül a felbontási bitszámból. Szüksége van továbbá egy pufferelt, stabil és tiszta feszültségreferenciára is.

Végül, a megszerzett adatoknak hozzáférhetőnek kell lenniük egy kommunikációs interfészen keresztül. Egy ilyen adatgyűjtő rendszer diszkrét komponensekkel történő megvalósítása több helyet igényel mintha ugyanerre egy integrált eszközt használunk, és gyakran sokkal rosszabbul is működik az utóbbinál. Például egy ADC meghajtására szolgáló differenciálerősítő működési követelményei olyanok, hogy az erősítő két bemeneti lábára kettő, egymással szorosan összehangolt bemeneti és visszacsatolási ellenállást kell kapcsolni, mivel bármilyen kiegyensúlyozatlanság csökkenti a közös módusú jelelnyomást (CMRR-t). Hasonlóképpen, a fokozat erősítésének beállításához pontosan össze kell hangolni a bemeneti ellenállásokat a visszacsatolási ellenállásokkal. Ezeknek az ellenállásoknak esetében a külső hőmérsékleti körülményeiknek is egyezniük kell, tehát közel kell lenniük egymáshoz. Ezenkívül az áramkör általános elrendezése is kritikus fontosságú a jelintegritás megőrzése és a parazita jelek minimalizálása szempontjából.

Hely- és időmegtakarítás integrált DAQ modulokkal

A működési követelmények teljesítéséhez, és ugyanakkor a méret és a tervezési idő csökkentéséhez a tervezők a diszkrét megvalósítások alternatívájaként felhasználhatják az Analog Devices µModule nevű, ADAQ4003BBCZ jelű system in package (SIP) modulját (2. ábra). A 7 x 7 mm méretű ADAQ4003 esetében a tervezők a jellánc leggyakoribb részeinek integrálására összpontosítottak, beleértve a jelkondicionálást és a digitalizálást, hogy az eszköz egy minél komplettebb jellánc-megoldás legyen, a korszerű elvárásoknak megfelelő teljesítménnyel. Ezzel sikerült betölteni azt az űrt, amely fennállt az adatgyűjtési igények terén, az egyik oldalon a szabványos diszkrét alkatrészekkel kialakított megoldásokkal, a másikon pedig a nagymértékben integrált, ügyfélspecifikus IC-kkel.

2. ábra: Egy µModule SIP metszetrajza, amely integrált formában több gyakori jelfeldolgozó blokkot tartalmaz egy egyetlen, mindössze 7 mm széles és ugyanolyan hosszú eszközben (kép: Analog Devices)

Az ADAQ4003 integrált formában egy nagy felbontású, 18 bites, akár 2 MS/s sebességű SAR ADC-t, egy alacsony zajszintű, teljesen differenciális ADC vezérlőerősítőt (FDA-t) és egy stabil feszültségreferencia puffert tartalmaz, az összes többi szükséges kritikus passzív eszközzel együtt. A kicsi, 49 kivezetéses ball grid array (BGA) tokozásának köszönhetően megfelel a kompakt méretformátumi követelményeknek.

Az ADAQ4003-nak a 3. ábrán látható diszkrét elrendezéshez képest több mint négyszer (4x) kisebb helyre van szüksége a nyomtatott áramköri lapokon.

3. ábra: Az ADAQ4003 (balról, eltávolított fedőlappal) összehasonlítása egy diszkrét alkatrészekkel megvalósított azonos áramkörrel; az előbbi kevesebb mint negyedakkora felületet foglal el (kép: Analog Devices)

A µModulnak számos előnye van a diszkrét megvalósítással szemben. Kisebb alkatrész lenyomat, az alkatrészek fizikailag közel vannak egymáshoz a hőmérsékleti körülményeik minél jobb egyezése érdekében, valamint a vezetékek szórt induktivitása és kapacitása miatt keletkező parazita hatások is csökkentettek.

Az ADAQ4033 funkcionális blokkvázlatán látható a minden adatgyűjtő rendszerben megtalálható négy kulcsfontosságú komponens (4. ábra).

4. ábra: Az ADAQ4003 funkcionális blokkvázlatán látható, hogy mennyi minden található a 7x7 mm-es, 49 kivezetéses BGA-tokban (kép: Analog Devices)

Kis fizikai mérete ellenére az ADAQ4003 az Analog Devices iPassives technológiájának köszönhetően tartalmazza a kritikus passzív alkatrészeket is. Az integrált passzív alkatrészek gyártási technológiája olyan, hogy egyetlen hordozóra visznek fel egyszerre több passzív hálózatot, mindezt igen nagy pontossággal. Az ellenállástömbök elemei például műszaki jellemzőiket tekintve 0,005%-os pontossággal azonosak egymással. Az egymás mellett és nagyon kis távolságban lévő komponensek műszaki jellemzői szinte közel azonosak, sokkal inkább, mint amennyire az lehetséges a diszkrét passzív elemek esetében. A közös hordozóra felvitt alkatrészek paraméterei egyformán reagálnak a külső hőmérsékleti körülményekre és a mechanikai igénybevételre, valamint az alkatrész integrált szerkezete miatt az elöregedési folyamatuk is egyformán alakul.

Mint említettük, a 18 bites SAR ADC akár 2 MS/s-os órajelen is működhet, ugyanakkor hiányzó kódállapotok nélkül. A passzív alkatrészek pontos értéke és egymással való összehangoltsága biztosítja az ADC kiváló működési teljesítményét. Jel-zaj és torzítás (SINAD) értéke jellemzően 99 dB, 0,454-re beállított erősítés mellett. Integrális nemlinearitása jellemzően 3 ppm. Az erősítés a bemeneti ellenállástömb kivezetéseinek megfelelő összekötésével 0,454, 0,909, 1,0 vagy 1,9 értékekre állítható, hogy a bemenetet hozzáigazítsa az ADC teljes skálatartományához, így maximalizálva az eszköz dinamikus működési tartományát. A kritikus komponensek egymáshoz illesztése ±0,5 ppm/C° erősítési driftet és 0,7 ppm/C° offset driftet eredményez 0,454 értékre beállított erősítésnél.

Az ADC blokk előtt az FDA vezérlő található, amelynek CMRR értéke 90 dB az erősítési tartományok mindegyikénél, differenciális konfigurációban. Az erősítőnek nagyon széles közös módusú bemeneti tartománya van, amely az adott áramköri konfigurációktól és az erősítési beállítástól függ. Az FDA differenciálerősítőként működhet, de közös földpontú (single ended) bemenetek esetén képes a közös földpontúból differenciálissá alakításra is.

Az FDA-meghajtó és az ADC között egy egypólusú RC-szűrő található, amelyet differenciálisan, belső alkatrészek felhasználásával valósítottak meg. Ezt arra tervezték, hogy korlátozza a zajt az ADC bemenetein, és csökkentse a SAR ADC kapacitív digitális-analóg átalakító (DAC) bemenetéről visszafutó feszültségimpulzusok hatását.

Az ADAQ4003 tartalmaz egy referenciapuffert is, amely egységnyi erősítésre van konfigurálva a SAR ADC referencia csomópont dinamikus bemeneti impedanciájának optimális vezérlése érdekében. Az eszközön belül a feszültségreferencia-csomóponthoz és a tápegységekhez szükséges összes leválasztó kondenzátor is megtalálható. Ezek a leválasztó kondenzátorok egyenértékű soros ellenállása (ESR) és egyenértékű soros induktivitása (ESL) egyaránt alacsony. Mivel az ADAQ4003 ezeket integrált formában tartalmazza, ez tovább egyszerűsíti az anyaglistát (BOM).

Az ADAQ4003 digitális interfésze egy DSP, MICROWIRE és QSPI-kompatibilis soros perifériás interfész (SPI). Külön VIO tápegységgel a kimeneti interfész 1,8 V-os , 2,5 V-os, 3 V-os vagy 5 V-os logikával használható.

Működés közben az ADAQ4003 teljes energiavesztesége alacsony, mindössze 51,5 mW a maximális 2 MS/s órajelen, míg alacsonyabb órajeleken az energiaveszteség is alacsonyabb.

Az ADAQ4003 alkatrészeinek fizikai elrendezése, az analóg és digitális jelek szétválasztásával segíti a tervezőket a jelintegritás és a megfelelő működés fenntartásában. A lábkiosztás olyan, hogy az analóg jelek az eszköz bal oldalán, a digitálisak pedig a jobb oldalon találhatók, így a tervezők el tudják különíteni egymástól az érzékeny analóg és digitális részeket a kereszteződések minimalizálása érdekében.

Áramköri modellek

A szimulációs modellek elérhetők az Analog Devices adatbázisában, és az ingyenes LTspice szimulátorban az ADAQ4003 modellje is megtalálható. A gyártó egy IBIS modellt is elérhetővé tesz, amely kompatibilis más kereskedelmi forgalomban lévő áramkörszimulátorokkal.

Az LTspice tartalmaz egy ADAQ4003 segítségével megvalósított referenciaáramkört is, amely az 5. ábrán látható. Az eszközt differenciális bemeneti konfigurációban használják, és az 1,0 és 1,1 kΩ-os bemeneti ellenállások sorba kötésével az FDA erősítése 0,454-re van beállítva. A modell beállított referenciafeszültsége 5 V, és 2 MS/s konverziós órajelen működik.

5. ábra: Az ADI adatbázisából szabadon elérhetők ADAQ4003-t tartalmazó LTspice szimulációs modellek, jelen esetben differenciális bemeneti konfigurációban (kép: Art Pini)

Egy LTspice-modell bármely terv kiindulópontja lehet, amely aztán egy fejlesztői kártya segítségével tovább ellenőrizhető.

Fejlesztői kártyák

Ha valaki az ADAQ4003 használatán gondolkodik, érdemes azt először próbára tenni az EVAL-ADAQ4003FMCZ fejlesztői kártya segítségével. Ez a többkártyás készlet tartalmazza a fejlesztői kártyát és egy programozható logikai kapumátrixszal (FPA-t) rendelkező mezzanine csatlakozós kártyát, amelyek közül mindkettő kompatibilis az Analog Devices EVAL-SDP-CH1Z rendszerbemutató platformjával. Az ADI kínálatában megtalálható még az ACE (Analysis/Control/Evaluation) demószoftver is, olyan termékspecifikus bővítményekkel, amelyek lehetővé teszik a felhasználók számára a részletes terméktesztek elvégzését, beleértve a felharmonikus-elemzését, valamint az integrális és differenciális nemlinearitási méréseket.

Összegzés

A nagy teljesítményű DAQ-rendszerek gyors kifejlesztésével megbízott mérnökök számára jó választás az ADAQ4003 µModul, melynek használatával a méretek és a költségek a minimumon tarthatók. Az eszköz lerövidíti a precíziós mérőrendszerek fejlesztési ciklusát, mivel megszünteti a diszkrét alkatrészek kiválasztásával, optimalizálásával és elrendezésükkel járó jellánc-tervezési problémákat. Az ADAQ4003 tovább egyszerűsíti a tervezési folyamatot azáltal, hogy egyetlen komponenssel egy optimalizált, helytakarékos adatgyűjtési megoldást kínál, az egyedi kialakítások alapjaként.