Jak zaoszczędzić miejsce i skrócić czas prac rozwojowych podczas projektowania precyzyjnych systemów akwizycji danych

Projektanci systemów dla branży automatyki przemysłowej i opieki zdrowotnej coraz częściej wykorzystują zaawansowane technologie do pomiarów i wykrywania oraz przechwytywania obrazu i wideo celem ich digitalizacji i analizy. Analiza jest jednak tylko tak dobra, jak dobre są dane wejściowe, których akwizycja opiera się na wysoko wydajnym, precyzyjnym i stabilnym kondycjonowaniu sygnałów w wysoce dynamicznym zakresie, oraz na blokach konwersji. Architektura tych bloków wykorzystująca obwody dyskretne wymaga znacznych zasobów projektowych, przestrzeni na płytce i czasu, a wszystko to oznacza wzrost kosztu całkowitego.

Jednocześnie projektanci muszą zadbać o konkurencyjność swoich układów końcowych, co oznacza maksymalną możliwą redukcję kosztów i czasu wprowadzania na rynek przy jednoczesnym zapewnieniu doskonałych parametrów działania.

W niniejszym artykule opisano w skrócie typowy system akwizycji danych i jego podstawowe elementy. Przedstawiono w nim moduł akwizycji danych (DAQ) firmy Analog Devices Inc, który łączy w sobie wiele ze wspomnianych krytycznych elementów pozwalających zapewnić stabilną, 18-bitową pracę z prędkością próbkowania 2MS/s. Aby ułatwić projektantom zapoznanie się z modułem i sposobem jego obsługi, przedstawiono również płytkę ewaluacyjną.

Elementy systemu akwizycji danych (DAQ)

Na ilustracji 1 przedstawiono typowy system akwizycji danych. Interesujący nas sygnał jest odbierany przez czujnik, który generuje sygnał elektryczny w odpowiedzi na niektóre zjawiska fizyczne. Sygnały wyjściowe czujnika mogą być jednostronne lub różnicowe i mogą wymagać kondycjonowania np. w postaci filtrowania. W celu uzyskania maksymalnego możliwego zakresu dynamicznego z przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), sygnał musi być wzmocniony tak, aby pasował do zakresu napięcia wejściowego tego przetwornika. Wzmocnieniem i niezrównoważeniem wzmacniacza zazwyczaj sterują precyzyjne rezystory, które muszą być starannie dobrane do czynników dynamicznych i wahań temperatury. Zależności temperaturowe zwykle wymagają, aby komponenty były w niewielkiej odległości fizycznej od siebie. Warunki dynamiczne to m.in. poziomy szumów i zniekształceń, które wymagają minimalizacji.

Ilustracja 1: typowy system akwizycji danych (DAQ) rejestruje dane z czujnika, kondycjonuje je, optymalizuje amplitudę sygnału podawanego do przetwornika analogowo-cyfrowego i przekazuje dane cyfrowe do procesora systemu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) musi mieć wystarczający zakres dynamiczny, podawany w postaci rozdzielczości w bitach. Wymaga również buforowanego, stabilnego i niezakłóconego napięcia odniesienia.

Ponadto pozyskane dane muszą być dostępne za pośrednictwem interfejsu komunikacyjnego. Wdrożenie takiego systemu akwizycji danych przy użyciu komponentów dyskretnych wymaga większej przestrzeni fizycznej i często daje znacznie gorsze parametry działania niż zastosowanie zintegrowanego urządzenia. Należy przykładowo wziąć pod uwagę, że wymagania eksploatacyjne wzmacniacza różnicowego do sterowania przetwornikiem analogowo-cyfrowym są takie, że rezystory wejściowe i rezystory sprzężenia zwrotnego w obu gałęziach wejścia wzmacniacza muszą być dobrze dopasowane, ponieważ wszelkie dysproporcje będą zmniejszać współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR). Podobnie rezystory wejściowe muszą być precyzyjnie dopasowane do rezystorów sprzężenia zwrotnego w celu ustawienia wzmocnienia stopnia. Rezystory te muszą również monitorować temperaturę, dlatego muszą być zlokalizowane blisko siebie. Ponadto ogólny układ obwodu ma kluczowe znaczenie dla zachowania integralności sygnału i zminimalizowania odpowiedzi pasożytniczej.

Zintegrowany moduł akwizycji danych (DAQ) pozwala zaoszczędzić czas i miejsce

Aby spełnić wymagania eksploatacyjne przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiarów i skróceniu czasu projektowania, projektant może użyć mikromodułu µModule ADAQ4003BBCZ firmy Analog Devices w układzie SiP (system-in-package) jako alternatywy dla implementacji dyskretnych (ilustracja 2). Mikromoduł ADAQ4003 mierzy 7×7mm i koncentruje się na integracji najczęstszych sekcji łańcucha sygnałowego, w tym kondycjonowania sygnału i digitalizacji, zapewniając bardziej kompleksowe rozwiązanie łańcucha sygnałowego o zaawansowanych parametrach działania. W ten sposób wypełnia lukę między standardowymi komponentami dyskretnymi a wysoce zintegrowanymi, personalizowanymi układami scalonymi, zaspokajając potrzeby związane z akwizycją danych.

Ilustracja 2: częściowy przekrój perspektywiczny mikromodułu µModule SIP, który łączy w sobie wiele bloków przetwarzania sygnałów współbieżnych w jednym urządzeniu o długości boku zaledwie 7mm. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Mikromoduł ADAQ4003 łączy w sobie 18-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji i wysokiej rozdzielczości, pracujący z prędkością do 2MS/s, niskoszumowy w pełni różnicowy wzmacniacz przetwornika analogowo-cyfrowego (FDA), stabilny bufor referencyjny napięcia oraz wszystkie wymagane krytyczne urządzenia pasywne. Niewielka, 49-stykowa obudowa z wyprowadzeniami sferycznymi w siatce rastrowej (BGA) spełnia wymagania kompaktowości.

W porównaniu z układem dyskretnym przedstawionym na ilustracji 3 mikromoduł ADAQ4003 oferuje czterokrotną redukcję powierzchni płytki drukowanej.

Ilustracja 3: moduł ADAQ4003 (po lewej) ze zdjętą pokrywą zajmuje mniej niż jedną czwartą powierzchni identycznego obwodu zrealizowanego za pomocą komponentów dyskretnych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Zalety mikromodułu µModule w porównaniu z implementacją z wykorzystaniem komponentów dyskretnych są liczne. Mniejsza zajmowana powierzchnia - komponenty są umieszczone fizycznie blisko siebie, co zapewnia lepsze monitorowanie temperatury, a także zmniejsza efekty pasożytnicze wynikające z indukcyjności odprowadzeń i pojemności pasożytniczej.

Schemat blokowo-funkcjonalny mikromodułu ADAQ4033 przedstawia cztery kluczowe komponenty znajdujące się w każdym systemie akwizycji danych (ilustracja 4).

Ilustracja 4: schemat blokowo-funkcjonalny mikromodułu ADAQ4003 pokazujący, jak wiele mieści się w tej kompaktowej, 49-stykowej obudowie BGA 7×7mm. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Pomimo niewielkich rozmiarów fizycznych, w mikromodule ADAQ4003 zastosowano najważniejsze komponenty pasywne, wykorzystując technologię iPassives firmy Analog Devices. Zintegrowane komponenty pasywne są produkowane na podłożach, na których jednocześnie produkuje się wiele sieci pasywnych. Proces produkcji zapewnia dużą precyzję wytwarzania tych części. Na przykład tolerancja niedopasowania komponentów układu rezystorów nie przekracza 0,005%. Sąsiadujące komponenty, rozmieszczone bardzo blisko, są dobrze dopasowane pod względem wartości początkowej, z pewnością znacznie lepiej niż dyskretne komponenty pasywne. Komponenty wdrożone na wspólnym podłożu będą również lepiej monitorować temperaturę, naprężenia mechaniczne i proces starzenia przez cały okres eksploatacji ze względu na zintegrowaną architekturę.

Jak wspomniano, 18-bitowy przetwornik SAR ADC można taktować do 2MS/s, ale pracuje bez brakujących stanów kodu. Precyzyjna wartość i dopasowanie komponentów pasywnych zapewniają doskonałe parametry działania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Charakteryzuje się on typowym stosunkiem sygnału do szumu i zniekształceń (SINAD) wynoszącym 99dB przy ustawieniu wzmocnienia równym 0,454. Jego nieliniowość całkowa jest zazwyczaj równa 3ppm. Układ rezystorów wejściowych można podłączyć za pomocą zworek, co pozwala na dopasowanie wartości wejściowej do pełnego zakresu przetwornika analogowo-cyfrowego za pomocą ustawień wzmocnienia 0,454, 0,909, 1,0 lub 1,9, zwiększając tym samym jego zakres dynamiczny. Dopasowanie kluczowych komponentów powoduje dryft błędu wzmocnienia wynoszący ±0,5ppm/C° i dryft błędu przesunięcia wynoszący 0,7ppm/C° w zakresie wzmocnienia 0,454.

Blok przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) poprzedza sterownik wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) o wartości współczynniku tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR) 90dB dla wszystkich zakresów wzmocnienia w konfiguracji różnicowej. Wzmacniacz ma bardzo szeroki zakres sygnałów wejściowych trybu współbieżnego, który zależy od konfiguracji określonych obwodów i ustawień wzmocnienia. Wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA) może być stosowany jako wzmacniacz różnicowy, ale może również służyć do konwersji sygnałów jednostronnych na różnicowe dla wejść jednostronnych.

Pomiędzy sterownikiem wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) i przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) znajduje się jednobiegunowy filtr RC, zrealizowany różnicowo przy użyciu komponentów wewnętrznych. Ma to na celu ograniczenie szumów na wejściach przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i zmniejszenie wpływu odbić napięcia pochodzących z wejścia pojemnościowego przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC) w przetworniku analogowo-cyfrowym o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC).

Mikromoduł ADAQ4003 zawiera również bufor referencyjny skonfigurowany na poziomie wzmocnienia jednostkowego, przeznaczony do optymalnego sterowania dynamiczną impedancją na wejściu węzła referencyjnego przetwornika SAR ADC. Znajdują się tu również wszystkie niezbędne kondensatory odsprzęgające dla węzła napięcia referencyjnego i zasilaczy. Wspomniane kondensatory odsprzęgające charakteryzują się niską równoważną rezystancją szeregową (ESR) i niską równoważną indukcyjnością szeregową (ESL). Fakt, że znajdują się one w środku mikromodułu ADAQ4003 dodatkowo upraszcza wykaz materiałów BOM.

Interfejs cyfrowy mikromodułu ADAQ4003 wykorzystuje szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI) kompatybilny z interfejsami DSP, MICROWIRE i QSPI. Dzięki osobnemu zasilaniu VIO interfejs wyjściowy jest kompatybilny z logiką 1,8V, 2,5V, 3V i 5V.

Całkowite straty mocy podczas pracy mikromodułu ADAQ4003 są niskie - wynoszą zaledwie 51,5mW przy maksymalnej częstotliwości taktowania równej 2MS/s. Maleją one przy niższych częstotliwościach taktowania.

Fizyczny układ mikromodułu ADAQ4003 pomaga projektantom w utrzymaniu integralności sygnału i parametrów działania poprzez separację sygnałów analogowych i cyfrowych. Układ wtyków jest taki, że sygnały analogowe znajdują się po lewej stronie a sygnały cyfrowe po prawej stronie, co pozwala projektantom na izolowanie wrażliwych sekcji analogowych i cyfrowych w celu minimalizacji ich krzyżowania.

Modele obwodów

Firma Analog Devices udostępnia modele symulacyjne - w bezpłatnym symulatorze LTSpice dostępny jest model modułu ADAQ4003. Udostępnia również model IBIS do innych komercyjnych symulatorów obwodów.

Symulator LTspice zawiera podstawowy obwód referencyjny wykorzystujący mikromoduł ADAQ4003 ukazany na ilustracji 5. Urządzenie jest używane w konfiguracji wejść różnicowych, a rezystory wejściowe są ustawiane zworkami na wzmocnienie wzmacniacza pełnoróżnicowego (FDA) 0,454 poprzez szeregowe połączenie rezystorów wejściowych o rezystancji 1,0 i 1,1kΩ. Nastawa napięcia referencyjnego modelu wynosi 5V i wykorzystuje zegar konwersji 2MS/s.

ilustracja 5: firma ADI udostępnia modele symulacyjne LTSpice dla modułu ADAQ4003 z użyciem konfiguracji wejść różnicowych. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Model LTSpice stanowi punkt wyjściowy każdego projektu, który można dodatkowo zweryfikować za pomocą płytki ewaluacyjnej.

Płytki ewaluacyjne

Jeśli chodzi o moduł ADAQ4003, mądrze jest poddać go próbie, używając płytki ewaluacyjnej EVAL-ADAQ4003FMCZ. Ten zestaw wielopłytkowy zawiera płytkę ewaluacyjną i kartę antresolową bezpośrednio programowalnej macierzy. Współpracują one z platformą demonstracyjną systemu EVAL-SDP-CH1Z firmy Analog Devices. Firma ADI dostarcza również oprogramowanie demonstracyjne do analizy/kontroli/ewaluacji (ACE) z wtyczkami przygotowywanymi specjalne dla danego produktu, co umożliwia użytkownikowi przeprowadzenie szczegółowych testów produktu, w tym analizy harmonicznych oraz pomiarów nieliniowości całkowej i różnicowej.

Podsumowanie

Dla projektantów, których zadaniem jest szybkie opracowanie wysokowydajnych systemów akwizycji danych (DAQ) przy zachowaniu minimalnych rozmiarów i kosztów, dobrym rozwiązaniem jest mikromoduł µModule ADAQ4003. Urządzenie skraca cykl rozwojowy systemu precyzyjnych pomiarów, eliminując wyzwania projektowe związane z doborem, optymalizacją i rozmieszczeniem komponentów dyskretnych. Mikromoduł ADAQ4003 jeszcze bardziej upraszcza proces projektowania, jako że stanowi zoptymalizowane, jednoelementowe i kompaktowe rozwiązanie do akwizycji danych, będące bazą do niestandardowych projektów.