Hoe ruimte en ontwikkelingstijd te besparen bij het ontwerpen van nauwkeurige systemen voor gegevensverwerving

Ontwerpers van systemen voor industriële automatisering en gezondheidszorg maken steeds meer gebruik van geavanceerde technologie voor detectie en digitalisering en analyse van beelden en videobeelden. De analyse is echter slechts zo goed als de invoergegevens, waarvan de verwerving afhankelijk is van krachtige signaalconditionerings- en omzettingsblokken met een groot dynamisch bereik en een nauwkeurige en stabiele signaalverwerking. Het ontwerpen van deze blokken met behulp van discrete schakelingen vergt aanzienlijke ontwerpmiddelen, ruimte op de printplaat en tijd, hetgeen de totale kosten doet stijgen.

Tegelijkertijd moeten ontwerpers ervoor zorgen dat hun eindsystemen concurrerend blijven, wat betekent dat de kosten en de tijd die nodig is om een product op de markt te brengen, zo veel mogelijk moeten worden beperkt, terwijl uitstekende prestaties gewaarborgd moeten blijven.

Dit artikel geeft een korte beschrijving van een typisch data-acquisitiesysteem en zijn kernelementen. Vervolgens wordt een DAQ-module (Data acquisition) van Analog Devices Inc. geïntroduceerd, waarin veel van deze cruciale elementen zijn geïntegreerd om stabiele 18-bit, 2 megasample per seconde (MS/s) prestaties te leveren. Er wordt ook een evaluatiebord geïntroduceerd om ontwerpers te helpen vertrouwd te raken met de module en hoe deze te gebruiken.

Elementen van een DAQ-systeem

Een typisch data-acquisitiesysteem wordt getoond in Afbeelding 1. Het signaal van belang wordt opgepikt door een sensor die een elektrisch signaal afgeeft als reactie op een fysisch verschijnsel. De sensoruitgangen kunnen single-ended of differentieel zijn en kunnen enige signaalconditionering vereisen, zoals filtering. Om het maximaal mogelijke dynamische bereik van de analoog-digitaal-convertor (ADC) te verkrijgen, moet het signaal worden versterkt zodat het overeenkomt met het bereik van de ingangsspanning van de ADC. De versterking en de offset van de versterker worden in het algemeen geregeld door precisieweerstanden die zorgvuldig op elkaar moeten worden afgestemd met het oog op dynamische en temperatuurafwijkingen. Temperatuursafhankelijkheden vereisen gewoonlijk dat de componenten zich in elkaars nabijheid bevinden. Dynamische omstandigheden omvatten ruis- en vervormingsniveaus die tot een minimum moeten worden beperkt.

Afbeelding 1: Een typisch DAQ-systeem verzamelt gegevens van een sensor, conditioneert deze, optimaliseert de signaalamplitude die op de ADC wordt toegepast, en communiceert de digitale gegevens naar de systeemprocessor. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De successive approximation register (SAR) ADC moet voldoende dynamisch bereik hebben, aangegeven door het aantal bits resolutie. Het vereist ook een gebufferde, stabiele en schone spanningsreferentie.

Tenslotte moeten de verkregen gegevens toegankelijk zijn via een communicatie-interface. De implementatie van een dergelijk data-acquisitiesysteem met behulp van discrete componenten vereist meer fysieke ruimte en resulteert vaak in veel slechtere prestaties dan die welke worden verkregen met een geïntegreerd apparaat. Stel bijvoorbeeld dat een differentiële versterker voor de aandrijving van een ADC aan zodanige prestatie-eisen moet voldoen dat de ingangs- en terugkoppelweerstanden aan beide zijden van de ingang van de versterker nauwkeurig op elkaar zijn afgestemd, omdat elke onbalans de CMRR (common mode rejection ratio) zal verminderen. Evenzo moeten de ingangsweerstanden nauwkeurig worden afgestemd op de terugkoppelweerstanden om de versterking van de trap in te stellen. Deze weerstanden moeten ook de temperatuur volgen, zodat ze dicht bij elkaar moeten worden geplaatst. Bovendien is de algemene lay-out van de schakeling van cruciaal belang voor het behoud van de signaalintegriteit en het minimaliseren van parasitaire respons.

De geïntegreerde DAQ-module bespaart tijd en ruimte

Om aan de prestatievereisten te voldoen en tegelijk de omvang en ontwerptijd te beperken, kunnen ontwerpers de Analog Devices ADAQ4003BBCZ µModule system in package (SIP) gebruiken als alternatief voor discrete implementaties (figuur 2). Met afmetingen van 7 x 7 millimeter (mm), richt de ADAQ4003 zich op de integratie van de meest voorkomende secties van een signaalketen, waaronder signaal conditionering en digitalisering, om een meer complete signaalketen oplossing met geavanceerde prestaties te bieden. Daarmee vult het de kloof tussen standaard discrete componenten en sterk geïntegreerde klantspecifieke IC's om aan de behoeften op het gebied van gegevensverwerving te voldoen.

Afbeelding 2: Een uitsnede van een µModule SIP die meerdere gemeenschappelijke signaalverwerkingsblokken combineert in één enkel apparaat van slechts 7 mm aan één kant. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ADAQ4003 combineert een hoge-resolutie 18-bit, SAR ADC met een snelheid tot 2 MS/s, een ruisarme, volledig differentiële ADC driver versterker (FDA), een stabiele spanningsreferentiebuffer en alle benodigde kritische passieve apparaten. Het kleine BGA-pakket (Ball Grid Array) met 49 contacten voldoet aan de vereisten van een compacte vormfactor.

De ADAQ4003 biedt meer dan een viervoudige (4x) reductie in printplaatoppervlak vergeleken met een discrete layout, zoals getoond in Afbeelding 3.

Afbeelding 3: De ADAQ4003 (links) met verwijderd deksel in vergelijking met een identieke schakeling, uitgevoerd met discrete componenten, neemt minder dan eenvierde van de oppervlakte in beslag. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De voordelen van de µModule ten opzichte van de discrete uitvoering zijn legio. Kleinere voetafdruk, componenten zijn fysisch dichter bij elkaar voor een betere temperatuurvolging, alsook minder parasitaire effecten door inductie van de geleider en zwerfcapaciteit.

Het functionele blokschema van de ADAQ4033 toont de vier hoofdcomponenten die in elk data-acquisitiesysteem voorkomen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het functionele blokschema van de ADAQ4003 laat zien hoeveel er in zijn 7 x7 mm, 49-contact BGA-pakket past. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Ondanks zijn kleine fysieke afmetingen, bevat de ADAQ4003 de kritische passieve componenten door gebruik te maken van Analog Devices' iPassives technologie. Geïntegreerde passieven worden gefabriceerd op substraten waar meerdere passieve netwerken tegelijk worden geproduceerd. Het fabricageproces produceert deze onderdelen met grote precisie. De componenten van de weerstandsreeks zijn bijvoorbeeld tot op 0,005% nauwkeurig op elkaar afgestemd. Aangrenzende componenten, op zeer korte afstand van elkaar, zijn goed op elkaar afgestemd wat de beginwaarde betreft, zeker veel beter dan discrete passieven. Geïmplementeerd op een gemeenschappelijk substraat, zullen de componentwaarden ook beter gelijke tred houden met temperatuur, mechanische spanning en veroudering tijdens de levensduur, dankzij de geïntegreerde structuur van de component.

Zoals gezegd, kan de SAR 18-bit ADC geklokt worden tot 2 MS/s, maar werkt hij zonder ontbrekende codestatussen. De precieze waarde en afstemming van de passieve componenten zorgen voor uitstekende prestaties van de ADC. Hij heeft een typische signaal/ruis-verhouding (SINAD) van 99 decibel (dB) bij een versterkingsinstelling van 0,454. De integrale niet-lineariteit bedraagt gewoonlijk 3 delen per miljoen (ppm). De ingangsweerstanden kunnen pin-banded worden, waardoor versterkingsinstellingen van 0,454, 0,909, 1,0, of 1,9 mogelijk zijn om de ingang aan te passen aan het volledige bereik van de ADC, waardoor het dynamisch bereik wordt gemaximaliseerd. De aanpassing van de kritische componenten resulteert in een versterkingsfoutdrift van ± 0,5 ppm/C° en een offsetfoutdrift van 0,7 ppm/C° over het versterkingsbereik van 0,454.

Het ADC-blok wordt voorafgegaan door de FDA-driver met een CMRR van 90 dB op alle versterkingsbereiken in de differentiële configuratie. De versterker heeft een zeer breed common mode ingangsbereik dat afhankelijk is van specifieke circuitconfiguraties en versterkingsinstellingen. De FDA kan worden gebruikt als een differentiële versterker, maar kan ook single-ended naar differentiële conversie uitvoeren voor single-ended ingangen.

Er is een enkelpolig RC-filter, differentieel geïmplementeerd met behulp van interne componenten tussen de FDA-driver en de ADC. Dit is bedoeld om de ruis op de ADC-ingangen te beperken en het effect van spanningsterugslag te verminderen die afkomstig is van de capacitieve digitaal-naar-analoog-omzetter (DAC) ingang van een SAR ADC.

De ADAQ4003 bevat ook een referentiebuffer geconfigureerd op unity gain om de dynamische ingangsimpedantie van het SAR ADC-referentieknooppunt optimaal aan te sturen. Alle nodige ontkoppelingscondensatoren voor het spanningsreferentieknooppunt en de voedingen zijn eveneens inbegrepen. Deze ontkoppelingscondensatoren hebben een lage equivalente serieweerstand (ESR) en een lage equivalente serie-inductie (ESL). Het feit dat ze intern zijn aan de ADAQ4003 vereenvoudigt de materiaallijst (BOM) nog meer.

De digitale interface voor de ADAQ4003 maakt gebruik van een seriële perifere interface (SPI) die compatibel is met DSP, MICROWIRE, en QSPI. Door gebruik te maken van een afzonderlijke VIO voeding, is de uitgangsinterface compatibel met 1,8 volt, 2,5 volt, 3 volt of 5 volt logica.

De ADAQ4003 werkt met een laag totaal vermogensverlies - slechts 51,5 milliwatt (mW) bij de maximale kloksnelheid van 2 MS/s - en met een lager vermogensverlies bij lagere kloksnelheden.

De fysieke layout van de ADAQ4003 helpt ontwerpers bij het behouden van signaal integriteit en prestaties door het scheiden van de analoge en digitale signalen. De pennenbezetting heeft analoge signalen aan de linkerkant en digitale signalen aan de rechterkant, zodat ontwerpers gevoelige analoge en digitale secties kunnen isoleren om eventuele cross-over te minimaliseren.

Circuit modellen

Analog Devices stelt simulatiemodellen ter beschikking en heeft een model voor de ADAQ4003 in zijn gratis LTspice simulator. Het maakt ook een IBIS-model beschikbaar voor andere commerciële circuitsimulatoren.

LTspice bevat een basis referentiecircuit dat gebruik maakt van de ADAQ4003, getoond in Afbeelding 5. Het apparaat wordt gebruikt in een differentiële ingangsconfiguratie, en de ingangsweerstanden worden gesnoerd om de FDA-versterking op 0,454 te zetten door de 1,0 en 1,1 kilohm (kΩ) ingangsweerstanden in serie te zetten. De referentiespanning van het model is ingesteld op 5 volt, en het gebruikt een 2 MS/s conversieklok.

Afbeelding 5: ADI stelt LTspice-simulatiemodellen beschikbaar voor de ADAQ4003 met een differentiële ingangsconfiguratie. (Bron afbeelding: Art Pini)

Het LTspice-model is een startpunt voor elk ontwerp dat verder kan worden geverifieerd met behulp van een evaluatiebord.

Evaluatieborden

Wanneer u de ADAQ4003 overweegt, is het verstandig om deze uit te proberen met het EVAL-ADAQ4003FMCZ-evaluatiebord. Deze multi-bordset omvat het evaluatiebord en een mezzanine-kaart voor een programmeerbare array. Deze werken met het Analog Devices EVAL-SDP-CH1Z-systeemdemonstratieplatform. ADI levert ook Analysis/Control/Evaluation (ACE) demosoftware met productspecifieke plugins, waarmee de gebruiker gedetailleerde producttests kan uitvoeren, waaronder harmonische analyse, en integrale en differentiële niet-lineariteitsmetingen.

Conclusie

Voor ontwerpers die snel krachtige DAQ-systemen willen ontwikkelen en tegelijkertijd de grootte en kosten tot een minimum willen beperken, is de ADAQ4003 µModule een goede optie. Het apparaat verkort de ontwikkelingscyclus van een precisiemeetsysteem door het wegnemen van de ontwerpuitdagingen voor de signaalketen van de selectie, optimalisatie en lay-out van discrete componenten. De ADAQ4003 vereenvoudigt het ontwerpproces verder door één enkel component te voorzien van een geoptimaliseerde, ruimte-efficiënte data-acquisitie oplossing als basis voor een ontwerp op maat.