Hoe latentie, bandbreedte en prestaties voor test- en meetoplossingen effectief in evenwicht te brengen

Ontwerpers van test- en meetoplossingen, zoals automotive testbedden en hardware-in-the-loop (HIL) subsystemen, worden steeds meer uitgedaagd om een optimaal evenwicht te vinden tussen hoge prestaties met een lagere latentie en een grotere bandbreedte. Tegelijkertijd hebben zij flexibiliteit en herconfigureerbaarheid nodig om snel veranderende systeemvereisten te ondersteunen en een breed scala aan gebruikssituaties te bedienen.

Traditioneel vergt het voldoen aan deze eisen - met behoud van nauwkeurige AC- en DC-prestaties bij toenemende bemonsteringssnelheden - aanzienlijke ontwerp- en debugtijd en -inspanningen. Deze inspanning neemt bij elk herontwerp toe wanneer onderdelen worden gewijzigd om tegemoet te komen aan veranderingen in de proefbank en de instrumentatiedoelstellingen.

Een beter alternatief is een platformbenadering op basis van programmeerbare, herconfigureerbare en herbruikbare apparaten. Deze "ankeronderdelen" vormen een basislijn van prestaties die kan worden gebruikt - en hergebruikt - in variaties van één soort toepassing of zelfs in meerdere ongelijksoortige toepassingen.

Dit artikel introduceert de Analog Devices AD3552R digitaal-naar-analoog converter (DAC) als voorbeeld van hoe programmeerbare componenten de doelstellingen van ontwerpers kunnen verwezenlijken om een schaalbaar, gemakkelijk te optimaliseren, herconfigureerbaar signaalketenplatform te creëren. Evaluatieborden en LTspice-ondersteuning worden besproken om ontwerpers op weg te helpen. Ook wordt de sterk geïntegreerde ADAQ23878 analoog-digitaalomzetter (ADC) geïntroduceerd, die samen met de AD3552R twee kritische en complementaire ankeronderdelen kan vormen voor een platformgebaseerde aanpak.

Integratie en programmeerbaarheid vereenvoudigen ontwerpen

Naarmate de eisen voor testsystemen veranderen, zijn de traditionele en vaak succesvolle technieken die werden gebruikt om de precisie te maximaliseren en de fouten te minimaliseren, zij het met extra ontwerp- en componentkosten, uitgeput:

• Het kiezen van "betere" componenten zoals weerstanden met een nauwere tolerantie of een lagere temperatuurcoëfficiënt om de tekortkomingen in zowel de aanvankelijke prestaties als in de loop van de tijd en de temperatuur te minimaliseren.
• Gebruik van topologieën die in hoge mate zelfcompensatie van onvermijdelijke fouten ondersteunen, zoals gematchte weerstanden en differentiële circuits of de klassieke brug van Wheatstone.
• Het bieden van initiële en permanente kalibratie door het gebruik van een "gouden" component, zoals een referentiespanning waarmee alle andere belangrijke spanningen kunnen worden vergeleken.

Succesvol gebruik van deze technieken wordt een grotere uitdaging voor ontwerpers van testsystemen wanneer de toepassing hoge updatefrequenties voor de ADC en de DAC vereist.

Om veel van deze uitdagingen te elimineren, biedt een programmeerbare, platformgebaseerde aanpak een betere optie door de noodzaak om "vanaf nul" te ontwerpen te minimaliseren of zelfs te elimineren voor het eerste project en wanneer de eisen veranderen. De aanpak zorgt ook voor een consistente manier om een ontwerp te evalueren en te simuleren. Een cruciaal element van deze programmeerbare aanpak is de DAC (figuur 1).

Figuur 1: De DAC is een sleutelfunctie in test- en instrumentatietoepassingen; de mogelijkheden ervan worden nauwlettend in het oog gehouden naarmate de eisen voor testsystemen uitdagender worden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De prestaties en mogelijkheden van DAC worden steeds meer "belast" door test- en controletoepassingen die zowel precisie als hoge snelheid over een groot bereik vereisen. Zij vereisen ook flexibiliteit en moeten gemakkelijk opnieuw kunnen worden geconfigureerd zonder een volledige of ingewikkelde herontwerp- en herkwalificatiecyclus te doorlopen.

De ADI AD3552R kan voldoen aan de prestatiedoelstellingen, aangezien het een 16-bit, 33 miljoen updates per seconde (MUPS), multi-span, dual-output SPI DAC is (figuur 2). Naast fundamentele prestatiekenmerken, is een ander voordeel van AD3552R het gemak waarmee het opnieuw kan worden geconfigureerd om aan nieuwe of veranderende projectdoelstellingen te voldoen. Deze herconfigureerbaarheid omvat de garantie dat deze doelstellingen met een hoge mate van vertrouwen zullen worden bereikt, in plaats van nieuwe en ongewenste "verrassingen" te brengen.

Figuur 2: De AD3552R is een 16-bit, 33 MUPS, multi-span, dual-output SPI DAC die gemakkelijk opnieuw kan worden geconfigureerd voor verschillende prestatiekenmerken. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De AD3552R is beschikbaar in een 5 millimeter (mm) × 5 mm LFCSP-pakket en werkt met een vaste 2,5-volt referentie, maar kan via software worden geconfigureerd voor meerdere spanningsbereiken. Het maakt ook een optimaal evenwicht mogelijk tussen prestaties, precisie, snelheid en flexibiliteit.

Het apparaat bevat drie driftcompenserende terugkoppelingsweerstanden ter ondersteuning van de externe transimpedantieversterker (TIA) die de uitgangsspanning schaalt. Offset- en gain-schalingsregisters maken het mogelijk meerdere uitgangsbereiken te genereren, zoals 0 tot 2,5 volt, 0 tot 5 volt, 0 tot 10 volt, -5 tot +5 volt en -10 tot +10 volt, alsmede aangepaste tussenliggende bereiken met volledige 16-bits resolutie.

Verder, om het bekende "snelheid versus precisie" dilemma aan te pakken, kan de AD3552R DAC werken in Fast Mode voor maximale snelheid en snelste settling tijd, of Precision Mode voor de hoogste precisie en maximale nauwkeurigheid. In de Fast Mode worden de DAC-gegevens geladen als een 16-bits woord, wat resulteert in een single-channel update rate van 33 MUPS. In de Precision Mode daarentegen worden de gegevens geschreven als 24 bits, wat resulteert in een single-channel update rate van 22 MUPS.

Voor die toepassingen die lagere lawaaidichtheid samen met snellere bezinkingstijd vereisen, en die hogere machtsconsumptie kunnen goedkeuren, steunt AD3552R het combineren van de twee DAC-kanalen om één enkele output te produceren (Figuur 3). Beide DAC's moeten gelijktijdig worden bijgewerkt met dezelfde code om dezelfde spanningsuitvoer te verkrijgen die met een enkele DAC wordt verkregen; de AD3552R biedt verschillende efficiënte manieren om dit te doen.

Figuur 3: De twee uitgangen van de AD3552R kunnen worden gecombineerd voor een lagere ruisdichtheid samen met een snellere bezinktijd. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Er is ook flexibiliteit in de SPI-interface van het apparaat, aangezien deze kan worden geconfigureerd in enkele SPI (klassieke SPI), dubbele SPI, synchrone dubbele SPI en quad SPI-modi, met enkele datasnelheid (SDR) of dubbele datasnelheid (DDR), en met logische niveaus van 1,2 tot 1,8 volt. Aangezien de integriteit van de gegevens ook een voortdurend en toenemend punt van zorg is, kan het apparaat bovendien worden uitgerust met een cyclische redundantiecontrole (CRC). Er zijn ook meerdere foutcontroles ingebouwd om VREF-fouten of corruptie van de geheugenkaart op te sporen.

Simulatiemodellen versnellen de configuratie, geven vertrouwen

Hoewel de AD3552R een breedband precisieapparaat is, zullen er altijd compromissen zijn tussen de vele door de gebruiker programmeerbare parameters. Om het begrip van het effect van deze ontwerpopties te versnellen en ontwerpers op weg te helpen, wordt het ondersteund door evaluatiekaarten en LTspice voor het beoordelen van ruis, transiënte analyse, AC-simulatie en andere parameters. Dit vereenvoudigt latency/performance optimalisatie, zodat ontwerpers geen parameterwaarden hoeven in te stellen of compromissen hoeven te sluiten zonder geloofwaardige gegevens.

De mogelijkheid om LTspice te gebruiken in de signaalketen brengt alle elementen samen, zodat gebruikers de volledige prestaties van de signaalketen duidelijk kunnen begrijpen. Dit is vooral belangrijk omdat de AD3552R:

• Tien stroombereiken; het resultaat van de combinatie van digitaal geconfigureerde versterkingswaarden.
• Drie transimpedantieversterkingswaarden; het resultaat van de aansluiting van een van de terugkoppelweerstanden.
• In totaal 511 digitaal geconfigureerde DC-offsetwaarden.

Dat zijn in totaal 15.330 combinaties, duidelijk buiten het bereik van een "hands-on" breadboarding-aanpak of zelfs selectieve handmatige beoordeling.

Het LTspice model voor de AD3552R vernieuwt de traditionele analoog-uitgang gerichte DAC modellen met een meer digitaal gerichte simulatie. De functionaliteit van sommige registers in het model - met name die welke betrekking hebben op digitale gain scaling en DC offset - kan worden gesimuleerd, en het model is ook in staat om dynamische en ruisprestaties met hoge getrouwheid te reproduceren. Onder de AD3552R prestatie karakteristieken die de LTspice software simuleert zijn:

• Simulatie van het uitgangsbereik: De DC sweep simulatie is nuttig om het bereik van de uitgangsspanning voor een bepaalde configuratie van parameters te bevestigen. Het houdt ook rekening met de beperkingen die worden opgelegd door de headroom (bovenkant van het bereik) en footroom (onderkant) van de operationele versterker, zodat gemakkelijk kan worden geanticipeerd op eventuele verzadiging van het uitgangssignaal.
• Stapvormige responsafstemming: De transiënte simulatie met een stapgolfvorm is nuttig om de waarde van de terugkoppelcondensator en het uitgangsfilter van de TIA aan te passen om de gewenste stijgtijd, bezinktijd en overshoot te bereiken, en kan worden gecombineerd met een parametrische sweep om de optimale waarden van de onderdelen te vinden. De simulatie houdt ook rekening met het vermogen van de versterker en de DAC om de slew rate en de stijgtijd van het signaal te schatten. (Merk op dat deze waarde een uitgangspunt is omdat het simulatiecircuit geen rekening houdt met de parasitaire effecten van de printplaat en de verpakkingen van de onderdelen).
• Simulatie van de AC-bandbreedte: De AC Sweep simulatie is nuttig om de waarden van de terugkoppelcondensator en het uitgangsfilter van de TIA aan te passen in toepassingen waar het uitgangssignaal harmonisch is.
• Simulatie van de ruisdichtheid: Hiermee kan de ruisdichtheid aan de uitgang van de DAC en de TIA worden voorspeld, zowel in het 1/f-gebied als in het thermische-ruisgebied. Het LTspice model van de AD3552R vangt de variatie van de ruisdichtheid met de code, en houdt ook rekening met de versterking van de TIA, die de ruis aan de uitgang van de huidige DAC opschaalt.

Voor meer over LTspice, zie "Hoe LTspice te gebruiken voor het bepalen van fotodetectieruisprestaties tijdens het ontwerpen van gevoelige instrumenten".

Oefenen, testen, met echte hardware

Simulaties zijn uiterst nuttig en noodzakelijk, maar zoals elke ervaren ingenieur weet, kunnen zij een evaluatie in de praktijk niet volledig vervangen, vooral wanneer factoren zoals parasieten buiten het apparaat de prestaties kunnen beïnvloeden. Voor de AD3552R wordt in deze behoefte voorzien met behulp van de EVAL-AD3552RFMCxZ, die beschikbaar is in twee varianten: de EVAL-AD3552RFMC1Z voor hogere snelheid, en de EVAL-AD3552RFMC2Z voor hogere precisie (figuur 4).

Figuur 4: De EVAL-AD3552RFMCxZ (links: bovenste laag; rechts: onderste laag) wordt geleverd in twee vergelijkbare versies, waarbij de ene is geoptimaliseerd voor snelheid en de andere voor precisie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De software voor het bord maakt gebruik van ADI's "Analysis, Control, Evaluation" (ACE) pakket, een desktop applicatie die de evaluatie en controle van meerdere evaluatiesystemen uit ADI's productportfolio mogelijk maakt. De toepassing bestaat uit een gemeenschappelijk kader en afzonderlijke component-specifieke plug-ins.

Voor de AD3552R heeft ACE verschillende weergaven om verschillende aspecten van de DAC te regelen. Wanneer een weergave voor het eerst wordt geopend, wordt een nieuwe tab bovenaan het hoofdvenster gemaakt. De AD3552R plug-in produceert een hiërarchie van weergaven: Board View, een Chip View, een Memory Map view, en een Analysis View die een Waveform Generator view en een Vector Generator view combineert (Figuur 5).

Figuur 5: De ACE plug-in voor de AD3552R produceert een hiërarchie van weergaven van een hoog niveau System View tot een base-level Analysis View. (Bron afbeelding: Analog Devices)

• De Board View toont een vereenvoudigd schema van het evaluatiebord, inclusief enkele relevante connectoren en de onderlinge verbinding tussen chips.
• De Chipweergave toont een vereenvoudigd intern schema van de chip met de interface-logica, de DAC-kernen, de precisieterugkoppelingsweerstanden en de relevante pinnen voor die blokken.
• De geheugenkaartweergave toont de volledige configuratieruimte van de AD3552R; deze ruimte kan worden weergegeven als een lijst van registers of als een lijst van bitvelden.
• In de golfvormgeneratorweergave kunt u vectoren aan de kanalen toewijzen en de golfvormgeneratie starten of stoppen.
• Met de weergave Vector Generator kunnen golfvormen worden gedefinieerd of geladen die later aan de DAC-kanalen kunnen worden toegewezen.

Met behulp van het evaluatiebord en de ACE-software kunnen gebruikers van de AD3552R de beslissingen die zij via de LTspice-simulator hebben genomen bevestigen en zo nodig aanpassen. Gebruikers kunnen het apparaat ook oefenen met zijn vele registers en programmeerbare functies en mogelijkheden.

Andere opties voor gegevensverwerving verkennen

De opties voor hoogst programmeerbare componenten die kunnen worden gebruikt om schaalbare, gemakkelijk geoptimaliseerde, herconfigureerbare signaal-keten platforms te creëren zijn niet beperkt tot apparaten zoals de AD3552R.

De ADAQ23878 van Analog Devices is bijvoorbeeld een 18-bit, 15-MSPS µModule pin-strappable solution ADC. Deze snelle data-acquisitieoplossing vereenvoudigt en versnelt de ontwikkelingscyclus van precisiemeetsystemen door een groot deel van de ontwerplast van componentenselectie, -optimalisatie en -lay-out weg te nemen door het gebruik van een kant-en-klaar apparaat.

De ADAQ23878 maakt gebruik van system-in-package (SIP) technologie en vermindert het aantal componenten van het eindsysteem door meerdere gemeenschappelijke signaalverwerkings- en conditioneringsblokken te combineren in één apparaat. Hij omvat een volledig differentiële ADC-driverversterker met weinig ruis, een stabiele referentiebuffer en een snelle 18-bit, 15 MSPS opeenvolgende benaderingsregister (SAR) ADC (figuur 6).

Figuur 6: De ADAQ23878 combineert signaalverwerking en conditioneringsblokken in één apparaat, waardoor de behoefte aan externe componenten minimaal is. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ADAQ23878 bevat ook de kritische passieve componenten met superieure matching en drift karakteristieken die komen door het gebruik van ADI's iPassive technologie, die temperatuur-afhankelijke foutbronnen minimaliseert voor optimale prestaties. De kleine footprint van slechts 9 mm × 9 mm, met 0,8 mm pitch en een 100-ball CSP BGA-pakket, maakt instrumenten met een kleinere vormfactor mogelijk zonder aan prestaties in te boeten (figuur 7).

Figuur 7: De SIP-technologie van de ADAQ23878 integreert actieve en passieve componenten in een enkel, eenvoudig aan te brengen apparaat en maakt minimalisering van drift-gerelateerde foutbronnen mogelijk. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De systeemintegratie lost veel ontwerpuitdagingen op, terwijl het apparaat nog steeds de flexibiliteit biedt van een configureerbare ADC-driver feedbackloop om versterkings- of verzwakkingsaanpassingen mogelijk te maken, alsmede een volledig differentiële of single-ended-naar-differentiële ingang.

Het kan bijvoorbeeld de kern vormen van een complete flowcytometer (zie "Snel flowcytometerontwerpen implementeren met behulp van zeer nauwkeurige gegevensverwervingsmodules"), of een breedbandig stroommeetsysteem met nauwkeurigheid, bandbreedte en driftprestaties die vergelijkbaar zijn met testapparatuur op een werkbank of in een rek voor een productietestomgeving (figuur 8). Tegelijkertijd is de oplossing klein genoeg om te worden geïntegreerd in toepassingen die continu moeten worden bewaakt.

Figuur 8: Met de juiste toepassingsspecifieke actieve en passieve ondersteuningscomponenten functioneert de ADAQ23878 als de kern van een data-acquisitiesysteem dat nauwkeurige stroommetingen over een breed dynamisch bereik oplevert. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het ontwerp biedt hoognauwkeurige metingen van drie stroombereiken met behulp van een combinatie van shuntweerstanden, ingebouwde versterkers en de ADAQ23878 μ-module. Deze oplossing verhoogt het aantal kanalen per kaart ondanks de beperkte afmetingen, terwijl ook de thermische problemen worden verminderd, de last van de kalibratie van het systeem als gevolg van zelfverwarming wordt verlicht en de algemene precisieprestaties worden geoptimaliseerd. De printplaat maakt gebruik van shuntweerstanden met vier uitgangen en een ingebouwde Kelvin-verbinding die het effect van de temperatuurcoëfficiënt van de weerstand (TCR) vermindert en een betere temperatuurstabiliteit biedt dan shuntweerstanden met twee uitgangen (figuur 9).

Figuur 9: Het complete stroommeetsysteem op basis van de ADAQ23878 μModule is kleiner dan de benodigde connectoren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Ontwerpers van test- en meetapparatuur vereisen precisie, prestaties en flexibiliteit, terwijl ze ook de mogelijkheid moeten hebben om het basisontwerp gemakkelijk te herconfigureren voor een breed scala aan toepassingen. Zoals getoond, beschikken componenten zoals de AD3552R DAC over vele programmeerbare parameters, waardoor ze snel en gemakkelijk op maat gemaakt kunnen worden. Samen met de ADAQ23878 ADC en ondersteund door tools zoals LTspice en evaluatie boards en software, speelt de AD35525 een sleutelrol in een platform-gebaseerde benadering van testsysteem ontwerp dat de vereiste flexibiliteit en prestaties biedt, terwijl het minimaliseren van de tijd die nodig is voor herconfiguratie.