A jelláncos adatgyűjtő eszközök egyszerűsítése szabványosított, testreszabható megoldásokkal

A jelláncok számos elektronikus rendszer szerves részét képezik a kommunikáció, az orvosbiológiai eszközök, az ipari automatizálás, a műszerek és érzékelők, valamint sok más felhasználási terület esetében. A rendszerépítők és a hardvertervezők számos logisztikai és műszaki kihívással szembesülnek, amikor egyensúlyt kell teremteniük az egyedi követelmények és a kisebb alapterület, egyes tervezési fázisok további javítások miatti ismétlésszámának minimálisra csökkentése és a piacra kerülési idő lerövidítése között. Ezek a kihívások a szabványosabb, integrált áramkörös megoldások mellett szólnak, amelyek még mindig nagymértékben testreszabhatóak a felhasználási területek igényeinek megfelelően.

A jelláncok jellemzően digitális és analóg alkatrészeket is tartalmaznak, például analóg–digitális átalakítókat (ADC), műveleti erősítőket, digitális leválasztókat és berendezésspecifikus alkatrészeket. Az optimális megoldásokat kereső mérnököknek és terméktervezőknek az alkatrészválasztás során többféle kompromisszumot kell kötniük, többek közt a zaj, a fogyasztás, a sávszélesség és a költségek tekintetében.

Sok tervező készít adatgyűjtő jelláncokat olyan felhasználási területekre, mint az automatizált tesztberendezések, a repülés, a gépautomatizálás, valamint az egészségügyben a felügyeleti, diagnosztikai és képalkotó rendszerek. A hardverfejlesztési trendek az összetett, sokszor szélsőséges hőhatásoknak kitett és a nyomtatott áramköri lap alkatrészsűrűségi korlátai által behatárolt berendezések esetében a korszerű nagy pontosságú adatátalakítási teljesítményt és a nagyobb tűrőképességet részesítik előnyben.

A nagyobb adatátviteli teljesítmény elérése, a rendszer fogyasztásának minél kisebbre csökkentése, valamint az analóg–digitális átalakítók meghajtása és bemenetének védelme tervezési ütközéseket okozhat a tekintetben, hogy nagy integráltsági fokú, ügyfélspecifikus integrált áramköröket (IC) vagy költségtakarékosabb szabványos diszkrét alkatrészeket érdemesebb-e használni. A végberendezésekbe szánt nagy teljesítményű, nagy pontosságú jelláncblokkok kifejlesztése során mindkét módszer növeli a kutatási és fejlesztési költségeket. Az ügyfélspecifikus megközelítés általában költségesebb, de a diszkrét eszközök teljesítménye valószínűleg romlik, ahogy az áramkör üzemi hőmérséklete változik és életkora előrehalad.

Az Analog Devices, Inc. (ADI ) a nagyobb alkatrészsűrűség, a több funkció, a nagyobb teljesítmény és a hosszabb átlagos meghibásodási idő elérése érdekében egy tokba épített rendszer (SiP, system-in-package) formájában, a heterogén integrált áramkörök adta lehetőségeket kihasználva igyekszik megoldani az adatgyűjtési jellánc tervezésének főbb problémáit. Az ADI nagy pontosságú jelláncra épülő μModule® eszközei kis méretű, testreszabható integrált áramkörös megoldást nyújtanak, amely egyszerűsíti a tervezést, javítja a teljesítményt, és időt takarít meg a fejlesztés során.

Az alkatrészsűrűség növelése teljesítménycsökkenés nélkül

A korszerű nagy pontosságú jelláncok egyik fő célja a jellánc alkatrészsűrűségének növelése a teljesítmény romlása nélkül, ezért a tervezők megpróbálnak több csatornát elhelyezni egy ugyanakkora méretű tokban, vagy csatornánként külön analóg–digitális átalakítót használni.

Az adatgyűjtő jelláncoknak gyakran több érzékelőhöz kell kapcsolódniuk, amelyeknek különböző a közös módusú feszültsége és a bemeneti jele. A gyakori problémák közé tartozik az áramkör kiegyensúlyozatlansága, illetve az, hogy nem megfelelőek a visszacsatoló és az erősítő áramkörben lévő ellenállások, ami a kívántnál rosszabb jel–zaj viszonyt (SNR, signal-to-noise ratio), torzítást, erősítési hibát és bemeneti jelelnyomást eredményezhet.

Az ADI nagy pontosságú jelláncra épülő μModule eszközei több analóg és digitális alkatrészt sűrítenek bele egyetlen modulba (tokba) a vállalat integrált áramkörbe épített passzív alkatrészes – iPassives nevű – technikáját az ADI jelformáló IC-ivel és egy tokba épített rendszereivel együtt használva. Az iPassives technikát az ADI fejlesztette ki néhány évvel ezelőtt, hogy leküzdje a külön-külön gyártott és a nyomtatott áramköri lapon keresztül összekötött passzív diszkrét alkatrészek használatának korábbi korlátait és bonyolultságát. Ez rugalmas tervezési lehetőséget kínál a fejlesztők számára, amelynek segítségével nagy tűrőképességű rendszereket tervezhetnek kiváló teljesítménnyel és rövid fejlesztési ciklusidőkkel.

A μModule-ok segítségével a tervezők egyetlen eszköznek tűnő integrált áramköröket hozhatnak létre, hogy olyan funkciókat érjenek el velük, amelyekhez korábban a nyomtatott áramköri lapon elhelyezett több diszkrét alkatrészre volt szükség. Ez a megoldás kiküszöböli az illesztési problémákat, és kisebb alapterületet tesz lehetővé.

Gyorsabb piacra jutás

A rendszertervezők nagyobb integráltsági fokot és gyorsabb piacra kerülést érhetnek el, miközben nagyobb sebességet és kisebb fogyasztást kínálnak megfizethető áron. A μModule-os megoldások kis alapterületű tokozásban létrehozható teljes megoldásokat tesznek lehetővé, és optimalizálják a jellánc teljesítményét és megbízhatóságát.

Az ADI nagy pontosságú jelláncra épülő μModule eszközeinek célja az alkatrészsűrűség növelése kisebb méretű tokban, belül csúcsminőségű eszközöket és fejlett 2,5D/3D összeszerelési folyamatokat használva, de megőrizve a rendszert alkotó alkatrészek intelligens és hatékony felügyeletét. Az, hogy egyetlen modulban kombinálnak olyan funkciókat, mint az erősítés, a szűrés és az analóg–digitális átalakítók, kiküszöböli annak szükségességét, hogy diszkrét alkatrészekből kelljen összetett adatgyűjtési jelláncot kialakítani. Ez a megoldás jelentősen csökkenti az összekötéseknél jelentkező parazitaparamétereket, azaz a parazitainduktivitást és a parazitakapacitást, valamint az ellenállást.

Az előre megtervezett, gyártott, beállított és tesztelt integrált áramköri magokkal az ADI nagy pontosságú jelláncra épülő μModule-jai jelentősen lecsökkenthetik a tervezési időt. Ezekhez előre kialakított jelláncok és ADI fejlesztéstámogató eszközök is tartoznak, beleértve a fejlesztőkártyákat és a szoftverfejlesztő készleteket.

A tervezők az alkatrészek intelligens felosztása révén az adott készülék követelményeihez igazíthatják a jellánc paramétereit és jellemzőit. Az állítható erősítés, sávszélesség, szűrési lehetőségek és egyéb testreszabható funkciók egy sokoldalú platformot eredményeznek, amely sokféle tervezési kihívásnak képes megfelelni.

Ahelyett, hogy a bonyolult áramköri szintű megvalósítással küzdenének, a μModule-ok segítségével a rendszertervezők a rendszerszintű tervezésre és a funkciókra összpontosíthatnak, ami gyorsabb prototípuskészítést és rendszerhitelesítést tesz lehetővé. Emellett azzal, hogy ez a megoldás a rendszer első elvi elgondolásától az alkatrészek leszállításáig elősegíti a rámenősebb ütemezést, lehetőség nyílik az újszerű készülékek gyorsabb piacra juttatására.

A teljesítményt és a hatásfokot befolyásoló passzív alkatrészeket a gyártás során beépítik a μModule eszközbe, ami kisebb másodlagos költségeket eredményez például az összeszerelés során végzett felszedés és elhelyezés, a rendszer nyomtatott áramköri lapja miatti veszteségek, a helyszínről való visszaküldés támogatása és a jellánc kalibrálása terén. A passzív alkatrészeknek a nyomtatott áramköri lap hordozóanyagába történő beépítése csökkenti a hőmérsékletfüggő hibaforrásokat, miközben minimálisra csökkenti a diszkrét alkatrészek és összekötések számát a nyomtatott áramköri lapon, végső soron csökkentve a forrasztásos kötések számát, és növelve a megbízhatóságot.

Az ADI ADAQ7980 (1. ábra) és ADAQ7988 jelű μModule-jai 16 bites analóg–digitális átalakítós adatgyűjtő rendszerek, amelyek négy jelfeldolgozó és jelformáló blokkot tartalmaznak egy 5 mm × 4 mm-es LGA tokban. Ezek a rendszerek sokféle felhasználási területen használhatóak, többek között automatizált ellenőrző berendezésekben, akkumulátoros műszerekben, kommunikációs, folyamatirányítási és orvosi műszerekben. Az eszközök tartalmazzák a leglényegesebb passzív alkatrészeket, szükségtelenné téve a sorozatos közelítéses regisztert (SAR, successive approximation register) használó hagyományos analóg–digitális átalakítókkal kapcsolatos számos tervezési feladatot. Ezenkívül több eszköz is összekapcsolható egyetlen 3 vezetékes sínen valamilyen kompatibilis soros perifériaillesztővel (SPI, serial peripheral interface). Az egy tokba épített rendszer minden aktív alkatrészét az ADI tervezte, beleértve a következőket:

• nagy pontosságú, kis fogyasztású 16 bites sorozatos közelítéses analóg–digitális átalakító
• kis fogyasztású, nagy sávszélességű, nagy bemeneti impedanciájú analóg–digitális átalakító-meghajtó
• kis fogyasztású stabil referenciapuffer
• jó hatásfokú energiagazdálkodási blokk

1. ábra: Az ADI ADAQ7980 μModule (kép: Analog Devices, Inc.)

A nagy pontosságú jelláncra épülő μModule-ok használata

Az ADI nagy pontosságú jelláncra épülő μModule-termékválasztéka a különböző iparágak felhasználási területeinek széles skáláját támogatja, például a következőket:

Kommunikáció. Az ADAQ8092 egy 14 bites, 105 MSPS (millió minta/másodperc) mintavételi frekvenciájú, nagy sebességű, kétcsatornás adatgyűjtő μModule különböző demodulátorokhoz és adatgyűjtő készülékekhez, például adó-vevőkhöz, mobiltelefonok bázisállomásaihoz és hálózati infrastruktúrához. Az eszköz egy tokon belül tartalmazza a jelformálást, egy analóg–digitális átalakító-meghajtót, egy feszültségreferenciát és egy analóg–digitális átalakítót. A rádiófrekvenciás és a digitális áramkörök szétválasztása hatékonyan csökkenti a zajérzékeny rádiófrekvenciás elektronika digitális megfelelői által okozott elektromágneses zavarjeleket.

Az eszköz egy teljes jelláncot alkot, amely az összes aktív és iPassive alkatrészt tartalmazza hatodakkora alapterületen, mint egy diszkrét alkatrészekből készült hasonló megoldás. A beépített tápegység-hidegítő kondenzátorok javítják a tápegység szűrési teljesítményét. Az ADAQ8092 3,3 V – 5 V analóg és 1,8 V digitális tápfeszültségről működik.

Ipari automatizálás. Az ADAQ7768-1 egy 24 bites, nagy pontosságú adatgyűjtő μModule, amely jelformáló, jelátalakító és jelfeldolgozó blokkot is tartalmaz. Az eszköz különböző bemenőjelfajtákat támogat, beleértve az IEPE (Integrated Electronics Piezo-Electric, integrált áramkörös elektronikus piezoelektromos) érzékelőket, az ellenálláshidakat, a feszültség- és árambemeneteket az olyan állapotfigyelő (CbM, condition-based monitoring) alkalmazásokhoz, amelyek az érzékelőket a trendek megállapítására, a meghibásodások előrejelzésére, az eszközök élettartamának kiszámítására és az emberek biztonságának megteremtésére használják.

A felhasználók az ADAQ7768-1-et kétféle eszközbeállítási módszerrel állíthatják be, a regiszterek soros perifériaillesztőn (SPI) keresztül történő módosításával vagy egy egyszerű hardveres lábösszekötéses módszerrel. A hét lábösszekötéssel megadható erősítési beállítás kisebb amplitúdójú bemeneti jelek esetén további rendszer-dinamikatartományt és jobb jellánc-zajteljesítményt tesz lehetővé.

Gépjárműipari ellenőrzések és vizsgálatok. Az ADAQ23878 alkalmas a Hardware in the Loop (HiL, szimulált hardver az ellenőrző hurokban) – egy digitális ikerre épülő – technika használatával végzett tesztelésére, amelyet összetett valós idejű rendszerek, például elektronikus vezérlőegységek (ECU, electronic control unit), szervokormányrendszerek, felfüggesztési rendszerek, akkumulátorfigyelő rendszerek és más járműalrendszerek tesztelésére használnak. Emellett használható többek között automatikus ellenőrző berendezésekhez és roncsolásmentes ultrahangos sérülésvizsgáló berendezésekhez is.

Az ADAQ23878 több jelfeldolgozó és jelformáló blokkot egyesít egyetlen eszközben, beleértve egy kis zajszintű teljes (vagy kétoldalas) differenciálerősítőt (FDA, fully differential amplifier), egy stabil referenciapuffert és egy nagy sebességű, 18 bites, 15 MSPS mintavételi frekvenciájú sorozatos közelítéses analóg–digitális átalakítót. A kis helyigényű, 9 mm × 9 mm méretű, 0,8 mm láb-osztástávolságú, 100 lábú CSP_BGA (chip scale package ball grid array, lapkaméretű tokozású rácselrendezésű gömblábas) tokozás lehetővé teszi kisebb méretű eszközök használatát a teljesítmény feláldozása nélkül. Az egy- vagy kétsávos kimeneti módú soros, kisfeszültségű különbségi jelátvitelű (LVDS, low voltage differential signaling) digitális illesztőfelület lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy az adott berendezéshez optimalizálják az illesztőfelület adatátviteli sebességét.

Összegzés

A digitális átalakulás és az automatizálás növeli a villamosítás, a gépjárműipar, a digitális egészségügy, a műszerek, az intelligens ipar, az energiaellátás és a fenntarthatóságot segítő területek magas követelményeket támasztó berendezéseihez optimalizált jelláncos adatgyűjtő megoldások iránti keresletet. Az ADI nagy pontosságú jelláncra épülő μModule-jai optimális egyensúlyt kínálnak a tervezőknek az integrált áramkörök használata és a rugalmasság terén anélkül, hogy a jellánc teljesítménye csökkenne. Az, hogy számos diszkrét alkatrészre nincs szükség, csökkenti a rendszer újratervezésének kockázatát, egyszerűsíti a rendszer alkatrészigényét, és rövidebb piacra jutási időt és kisebb fejlesztési költségeket eredményezhet.