Uproszczenie projektowania na potrzeby akwizycji danych w łańcuchu sygnałowym dzięki ustandaryzowanym, niestandardowym rozwiązaniom

Łańcuchy sygnałowe stanowią integralną część wielu elektronicznych systemów komunikacyjnych, urządzeń biomedycznych, automatyki przemysłowej, oprzyrządowania i czujników oraz wielu innych zastosowań. Architekci systemów i projektanci sprzętu stoją przed licznymi wyzwaniami logistycznymi i technicznymi w zakresie równoważenia konkretnych wymagań w obliczu potrzeby zmniejszenia zajmowanej powierzchni, minimalizacji liczby iteracji projektów i skrócenia czasu wprowadzania produktu na rynek. Wyzwania te przemawiają za bardziej standardowymi, zintegrowanymi rozwiązaniami, które nadal można w wysokim stopniu dostosowywać do potrzeb danego zastosowania.

Łańcuchy sygnałowe zwykle zawierają komponenty cyfrowe i analogowe, takie jak przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), wzmacniacze operacyjne, izolatory cyfrowe i komponenty specyficzne dla konkretnego zastosowania. Inżynierowie i projektanci produktów dążący do stworzenia optymalnych rozwiązań muszą godzić się na wiele kompromisów przy doborze komponentów, w tym w zakresie szumów, poboru mocy, przepustowości i kosztów.

Wielu projektantów tworzy łańcuchy sygnałowe do akwizycji danych w takich zastosowaniach, jak zautomatyzowane urządzenia pomiarowe, lotnictwo, automatyka maszyn oraz są używane w systemach opieki zdrowotnej, monitorowania, diagnostyki i obrazowania. Trendy sprzętowe przemawiają za zaawansowaną precyzją konwersji danych i zwiększoną wytrzymałością w przypadku złożonych projektów, często nakładając ograniczenia termiczne i pod względem gęstości płytek drukowanych (PCB).

Osiągnięcie wyższej przepustowości, minimalizacja mocy systemu oraz ochrona wejść przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) i sterowanie nimi może powodować konflikty projektowe dotyczące stosowania wysoce zintegrowanych układów scalonych (IC) lub standardowych komponentów dyskretnych, które są bardziej ekonomiczne. Obydwa podejścia zwiększają koszty prac badawczo-rozwojowych w zakresie opracowywania wysokoparametrowych, precyzyjnych bloków do łańcuchów sygnałowych do zastosowań końcowych. Podejście dostosowane do potrzeb klienta jest zwykle bardziej kosztowne, ale parametry działania urządzeń dyskretnych mogą ulegać pogorszeniu wraz ze zmianą temperatury roboczej i upływem czasu użytkowania obwodu.

Firma Analog Devices Inc. (ADI) rozwiązuje główne problemy projektowe łańcucha sygnałowego do akwizycji danych poprzez wykorzystanie heterogenicznej integracji z wykorzystaniem technologii SiP (system-in-package) w celu osiągnięcia wyższej gęstości, zwiększonej funkcjonalności, poprawionych parametrów działania i dłuższego średniego czasu do awarii. Moduły μModule® firmy ADI do precyzyjnych łańcuchów sygnałowych stanowią kompaktowe, zintegrowane i dostosowane do indywidualnych potrzeb rozwiązania, które upraszczają projektowanie, poprawiają parametry działania i skracają czas prac rozwojowych.

Poprawa gęstości bez spadku wydajności

Kluczowym celem zaawansowanych precyzyjnych łańcuchów sygnałowych jest poprawa gęstości łańcucha sygnałowego bez negatywnego wpływu na parametry działania w kontekście podejmowania przez projektantów prób zmieszczenia większej liczby kanałów w tym samym formacie lub stosowania podejścia opartego na przetwornikach analogowo-cyfrowych na kanał.

Łańcuchy sygnałowe akwizycji danych często muszą współpracować z wieloma czujnikami o różnych napięciach sygnałów wspólnych i sygnałach wejściowych. Typowe problemy to m.in. niezrównoważenie obwodów lub niedopasowanie rezystorów sprzężenia zwrotnego i wzmocnienia, które mogą skutkować niepożądanym stosunkiem sygnału do szumu (SNR), zniekształceniami, błędami wzmocnienia i współczynnikami tłumienia sygnału wejściowego.

Precyzyjne rozwiązania łańcucha sygnałowego μModule firmy ADI łączą w sobie wiele komponentów analogowych i cyfrowych w jednym module, wykorzystując opracowaną przez firmę technologię elementów pasywnych - iPassives - z układami scalonymi do kondycjonowania sygnału oraz układami SiP (system-in-package) firmy ADI. Technologia iPassives została opracowana przez firmę ADI kilka lat temu w celu przezwyciężenia dotychczasowych ograniczeń i zawiłości dyskretnych komponentów pasywnych produkowanych oddzielnie i łączonych na płytce drukowanej. Zapewnia to deweloperom elastyczne narzędzie projektowe do tworzenia solidnych rozwiązań systemowych o najlepszych w klasie parametrach działania i krótkich cyklach prac rozwojowych.

Dzięki rozwiązaniom μModule projektanci mogą stworzyć pojedyncze urządzenie o funkcjonalności, która wcześniej wymagała wielu komponentów dyskretnych w rozwiązaniach na poziomie płytki. Takie podejście eliminuje niedopasowania i pozwala uzyskać mniejsze rozmiary.

Krótszy czas wprowadzania produktu na rynek

Projektanci systemów mogą osiągnąć wyższy poziom integracji i skrócić czas wprowadzania produktów na rynek, zapewniając jednocześnie wyższą szybkość działania i mniejszy pobór mocy w przystępnej cenie. Podejście μModule pozwala na tworzenie kompletnych rozwiązań w obudowach o wysokiej sprawności przestrzennej oraz optymalizację parametrów działania i niezawodności łańcucha sygnałowego.

Precyzyjne rozwiązania łańcucha sygnałowego μModule firmy ADI mają na celu zwiększenie gęstości przy zachowaniu mniejszych rozmiarów dzięki połączeniu urządzeń najwyższej klasy i zaawansowanych procesów montażu 2,5D/3D przy zachowaniu inteligentnego i wydajnego zarządzania komponentami systemu. Połączenie takich funkcji, jak wzmacnianie, filtrowanie i przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) w jednym module eliminuje potrzebę tworzenia złożonego rozwiązania łańcucha sygnałowego do akwizycji danych z wykorzystaniem poszczególnych komponentów. Takie podejście znacznie zmniejsza czynniki pasożytnicze połączeń, takie jak indukcyjność, pojemność i rezystancja.

Dzięki wstępnie zaprojektowanym, wyprodukowanym, scharakteryzowanym i przetestowanym rdzeniom, moduły μModule łańcucha sygnałowego firmy ADI mogą znacznie skrócić czas projektowania. Są one również dostarczane ze wstępnie skonfigurowanymi łańcuchami sygnałowymi i zasobami pomocniczymi firmy ADI, takimi jak płytki ewaluacyjne i zestawy rozwojowe oprogramowania.

Projektanci mogą dostosowywać parametry i charakterystykę łańcucha sygnałowego do wymagań konkretnego zastosowania poprzez inteligentne partycjonowanie komponentów. Regulowane wzmocnienie, szerokość pasma, opcje filtrowania i inne konfigurowane funkcje tworzą uniwersalną platformę, która pozwala sprostać różnym wyzwaniom projektowym.

Zamiast zmagać się ze skomplikowaną implementacją na poziomie obwodów, dzięki modułom μModule, projektanci systemów mogą skupić się na projektowaniu i funkcjach na poziomie systemu, zapewniając szybsze prototypowanie i walidację systemów oraz skracając czas wprowadzania na rynek innowacyjnych zastosowań poprzez promowanie bardziej agresywnego harmonogramowania procesów od zdefiniowania systemu do dostawy części.

W urządzeniu μModule wbudowane są komponenty pasywne, które wpływają na parametry działania i wydajność produkcji, co skutkuje niższymi kosztami wtórnymi, takimi jak np. montaż, montaż maszynowy, straty wydajności produkcji płytek drukowanych systemu, obsługa zwrotów w terenie oraz kalibracja łańcucha sygnałowego. Integracja komponentów pasywnych z podłożem płytki drukowanej zmniejsza źródła błędów zależnych od temperatury, jednocześnie minimalizując liczbę komponentów dyskretnych i połączeń na płytce drukowanej, co ostatecznie zmniejsza liczbę połączeń lutowanych i poprawia niezawodność.

Moduły μModule ADAQ7980 (ilustracja 1) oraz ADAQ7988 firmy ADI są 16-bitowymi układami akwizycji danych przetworników analogowo-cyfrowych (ADC), które zawierają cztery bloki przetwarzania i kondycjonowania sygnałów w obudowie LGA o wymiarach 5mm x 4mm. Układy te mogą być używane w różnych zastosowaniach, takich jak automatyczne urządzenia pomiarowe, oprzyrządowanie z zasilaniem bateryjnym, komunikacja, sterowanie procesami i przyrządy medyczne. Omawiane urządzenia zawierają najbardziej krytyczne komponenty pasywne, co eliminuje wiele wyzwań projektowych związanych z tradycyjnymi łańcuchami sygnałowymi, i wykorzystują przetworniki analogowo-cyfrowe o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC). Ponadto można połączyć łańcuchowo wiele urządzeń na jednej, 3-przewodowej magistrali, używając do tego kompatybilnego szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI). Wszystkie aktywne komponenty układu SiP (System-in-Package) zostały zaprojektowane przez firmę ADI.l Są to:

• 16-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) niskiej mocy i wysokiej dokładności
• Sterownik przetwornika analogowo-cyfrowego o wysokiej impedancji wejściowej, niskiej mocy i dużej szerokości pasma
• Stabilny bufor referencyjny niskiej mocy
• Sprawny blok zarządzania zasilaniem

Ilustracja 1: moduł μModule ADAQ7980 firmy ADI (źródło: Analog Devices, Inc.)

Zastosowanie precyzyjnych modułów μModule w łańcuchach sygnałowych

Portfolio precyzyjnych modułów μModule akwizycji danych w łańcuchach sygnałowych firmy ADI obsługuje szeroką gamę zastosowań w różnych branżach, takich jak:

Komunikacja. 14-bitowy, szybki, dwukanałowy moduł μModule akwizycji danych ADAQ8092 o częstotliwości próbkowania 105MSPS, do różnorodnych zastosowań demodulacyjnych i akwizycji danych, takich jak nadajniko-odbiorniki, komórkowe stacje bazowe oraz infrastruktura sieciowa. Omawiane urządzenie zawiera funkcję kondycjonowania sygnału, sterownik przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), źródło napięcia referencyjnego i przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) w jednej obudowie. Rozdzielenie obwodów cyfrowych i radiowych (RF) skutecznie niweluje zakłócenia elektromagnetyczne wytwarzane przez cyfrowe odpowiedniki czułej na zakłócenia elektroniki do częstotliwości radiowych.

Urządzenie tworzy kompletny łańcuch sygnałowy, który integruje wszystkie komponenty aktywne i pasywne (iPassives) na powierzchni sześciokrotnie mniejszej w porównaniu z podobnymi rozwiązaniami dyskretnymi. Wbudowane kondensatory odsprzęgające zasilania zwiększają tłumienie wpływu zasilania. Urządzenie ADAQ8092 działa przy zasilaniu analogowym od 3,3V do 5V i cyfrowym 1,8V.

Automatyka przemysłowa. Moduł μModule akwizycji danych ADAQ7768-1 charakteryzuje się 24-bitową precyzją i zawiera bloki przetwarzania, konwersji oraz kondycjonowania sygnałów. Omawiane urządzenie obsługuje różne typy wejść, w tym czujniki piezoelektryczne ze zintegrowaną elektroniką (IEPE), mostki rezystancyjne, wejścia napięciowe i prądowe, do zastosowań monitorowania stanu (CbM), które wykorzystują czujniki do ustalania trendów, przewidywania awarii, obliczania okresu użytkowania aktywów i zapewniania bezpieczeństwa ludzi.

Użytkownicy mogą skonfigurować urządzenia ADAQ7768-1 do pracy dwiema metodami konfiguracji urządzeń: modyfikując rejestry za pośrednictwem szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI) lub prostą metodą mostkowania wtyków. Siedem konfigurowanych wtykami ustawień wzmocnienia zapewnia dodatkowy zakres dynamiki systemu i lepsze parametry szumów łańcucha sygnałowego przy sygnałach wejściowych o niższej amplitudzie.

Próby motoryzacyjne. Urządzenie ADAQ23878 jest odpowiednie dla techniki Hardware in the Loop (HiL) - czyli techniki cyfrowych bliźniaków, która jest używana do testowania złożonych układów czasu rzeczywistego, takich jak elektroniczne jednostki sterujące (ECU), układy wspomagania układu kierowniczego, układy zawieszenia, systemy zarządzania bateriami i inne podsystemy pojazdu. Można go również używać między innymi w automatycznych urządzeniach probierczych i nieniszczących pomiarach emisji akustycznych.

ADAQ23878 łączy w jednym urządzeniu wiele bloków przetwarzania i kondycjonowania sygnału, w tym niskoszumowy wzmacniacz pełnoróżnicowy (FDA), stabilny bufor referencyjny oraz szybki 18-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC) i częstotliwości próbkowania 15MSPS. Niewielka zajmowana powierzchnia 9mm × 9mm, raster 0,8mm oraz wykonana w skali układu mikroelektronicznego obudowa z wyprowadzeniami sferycznymi w siatce rastrowej (CSP_BGA) ze 100 wyprowadzeniami sferycznymi pozwalają uzyskać lepszą kompaktowość przyrządów bez pogorszenia parametrów działania. Cyfrowy interfejs szeregowego niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS) z jednotorowym lub dwutorowym trybem wyjściowym pozwala użytkownikom na optymalizację szybkości transmisji danych interfejsu dla poszczególnych zastosowań.

Podsumowanie

Cyfrowa transformacja i automatyka stymulują popyt na rozwiązania akwizycji danych w łańcuchach sygnałowych, zoptymalizowane pod kątem wymagających zastosowań w elektryfikacji, motoryzacji, cyfrowej ochronie zdrowia, oprzyrządowaniu, inteligentnym przemyśle, energetyce i zrównoważonym rozwoju. Precyzyjne moduły μModule firmy ADI do łańcuchów sygnałowych oferują projektantom optymalną równowagę między integracją i elastycznością bez pogarszania parametrów działania łańcucha sygnałowego. Eliminacja wielu komponentów dyskretnych zmniejsza ryzyko potrzeby przeprojektowywania systemu, upraszcza wykaz materiałów systemu, a także może skutkować skróceniem czasu wprowadzania produktu na rynek i obniżeniem kosztów rozwoju.