วิธีการที่จะประหยัดพื้นที่และเวลาในการพัฒนาเมื่อออกแบบระบบการรวบรวมข้อมูลที่แม่นยำ

นักออกแบบระบบสำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและการดูแลสุขภาพกำลังใช้เทคโนโลยีการตรวจจับ ตรวจจับ และจับภาพและวิดีโอขั้นสูงสำหรับการแปลงข้อมูลเป็นดิจิทัลและการวิเคราะห์ อย่างไรก็ตาม ผลการวิเคราะห์นั้นจะออกมาดีหรือไม่ก็ขึ้นอยู่กับข้อมูลที่ได้รับเข้ามา การรวบรวมข้อมูลนั้นต้องอาศัยประสิทธิภาพการทำงานที่สูง ช่วงไดนามิกสูง การปรับสภาพสัญญาณที่แม่นยำและเสถียร และบล็อกการแปลงข้อมูล การออกแบบบล็อกเหล่านี้โดยใช้วิธีการแบบวงจรแบบไม่ต่อเนื่องนั้นต้องการทรัพยากรการออกแบบ พื้นที่บอร์ด และเวลาจำนวนมาก ซึ่งทั้งหมดนี้ทำให้ต้นทุนโดยรวมเพิ่มขึ้น

ในเวลาเดียวกัน นักออกแบบจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าระบบปลายทางของพวกเขายังคงแข่งขันได้ ซึ่งหมายความว่าลดต้นทุนและเวลาในการออกสู่ตลาดให้มากที่สุดในขณะที่รับประกันประสิทธิภาพที่โดดเด่น

บทความนี้เป็นการอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับระบบเก็บข้อมูลทั่วไปและองค์ประกอบหลัก จากนั้นจะแนะนำโมดูลการรับข้อมูล (DAQ) จาก Analog Devices Inc. ที่รวมเอาองค์ประกอบที่สำคัญจำนวนมากเหล่านี้เพื่อให้มีประสิทธิภาพการทำงานที่เสถียร 18 บิต 2 เมกะตัวอย่างต่อวินาที (MS/s) บอร์ดประเมินผลยังได้รับการแนะนำเพื่อช่วยให้นักออกแบบทำความคุ้นเคยกับโมดูลและวิธีใช้งาน

องค์ประกอบของระบบ DAQ

ระบบเก็บข้อมูลทั่วไปแสดงในรูปที่ 1 เซ็นเซอร์จับสัญญาณที่น่าสนใจซึ่งส่งสัญญาณไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อปรากฏการณ์ทางกายภาพบางอย่าง เอาต์พุตของเซ็นเซอร์อาจเป็นแบบปลายเดียวหรือแบบเฟืองท้าย และอาจต้องมีการปรับสภาพสัญญาณบางอย่าง เช่น การกรอง เพื่อให้ได้ช่วงไดนามิกสูงสุดที่เป็นไปได้จากตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) สัญญาณจะต้องได้รับการขยายเพื่อให้ตรงกับช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของ ADC เกนและออฟเซ็ตของแอมพลิฟายเออร์ควบคุมโดยทั่วไปโดยตัวต้านทานที่มีความแม่นยำ ซึ่งจะต้องจับคู่อย่างระมัดระวังสำหรับการพิจารณาไดนามิกและการเลื่อนของอุณหภูมิ การพึ่งพาอุณหภูมิมักจะต้องการให้ส่วนประกอบอยู่ใกล้กัน สภาพไดนามิกรวมถึงระดับเสียงรบกวนและการบิดเบือนซึ่งต้องลดให้น้อยที่สุด

รูปที่ 1: ระบบ DAQ ทั่วไปจะรับข้อมูลจากเซ็นเซอร์ ปรับสภาพ ปรับความกว้างของสัญญาณที่ใช้กับ ADC และสื่อสารข้อมูลดิจิทัลไปยังตัวประมวลผลของระบบ (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ADC การประมาณค่าที่ต่อเนื่องกัน (SAR) ต้องมีช่วงไดนามิกที่เพียงพอ ซึ่งระบุด้วยจำนวนบิตของความละเอียด นอกจากนี้ยังต้องมีการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่บัฟเฟอร์ เสถียร และสะอาด

สุดท้าย ข้อมูลที่ได้รับจะต้องสามารถเข้าถึงได้ผ่านอินเทอร์เฟซการสื่อสาร การใช้ระบบการรับข้อมูลดังกล่าวโดยใช้ส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่องนั้นต้องการพื้นที่ทางกายภาพมากกว่า และมักจะส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานต่ำกว่าที่ได้รับจากอุปกรณ์แบบบูรณาการอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ให้พิจารณาว่าข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์เพื่อขับเคลื่อน ADC นั้นจะต้องมีตัวต้านทานอินพุตและตัวป้อนกลับที่ขาทั้งสองของอินพุตของแอมพลิฟายเออร์ที่ตรงกันอย่างใกล้ชิด เนื่องจากความไม่สมดุลใดๆ จะลดอัตราส่วนการปฏิเสธโหมดทั่วไป (CMRR) ในทำนองเดียวกัน ตัวต้านทานอินพุตจะต้องจับคู่อย่างแม่นยำกับตัวต้านทานป้อนกลับเพื่อตั้งค่าเกนของสเตจ ตัวต้านทานเหล่านี้ต้องติดตามอุณหภูมิเช่นกัน โดยกำหนดให้อยู่ใกล้กัน นอกจากนี้ รูปแบบวงจรโดยรวมมีความสำคัญในการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณและลดการตอบสนองของปรสิต

โมดูล DAQ ในตัวช่วยประหยัดเวลาและพื้นที่

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพในขณะที่ลดขนาดและเวลาในการออกแบบ นักออกแบบสามารถใช้อุปกรณ์จาก Analog Devices ADAQ4003BBCZ ระบบ µModule ในแพ็คเกจ (SIP) เป็นทางเลือกแทนการใช้งานแบบแยกส่วน (รูปที่ 2) ADAQ4003 ขนาด 7 x 7 มม. (มม.) มุ่งเน้นไปที่การรวมส่วนที่พบบ่อยที่สุดของสายสัญญาณ ซึ่งรวมถึงการปรับสภาพสัญญาณและการแปลงเป็นดิจิทัล เพื่อมอบโซลูชันสายสัญญาณที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นพร้อมประสิทธิภาพขั้นสูง การทำเช่นนี้จะช่วยอุดช่องว่างระหว่างส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่องมาตรฐานและไอซีเฉพาะลูกค้าที่ผสานรวมในระดับสูง เพื่อแก้ปัญหาความต้องการในการได้มาซึ่งข้อมูล

รูปที่ 2: มุมมองแบบตัดขวางของ µModule SIP ซึ่งรวมบล็อกการประมวลผลสัญญาณทั่วไปหลายบล็อกไว้ในอุปกรณ์เดียวที่มีขนาดเพียง 7 มม. ที่ด้านข้าง (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ADAQ4003 รวม SAR ADC ความละเอียดสูง 18 บิตที่ทำงานด้วยความเร็วสูงสุด 2 MS/s แอมพลิฟายเออร์ไดรเวอร์ ADC แบบดิฟเฟอเรนเชียล (FDA) เสียงรบกวนต่ำ บัฟเฟอร์อ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่เสถียร และอุปกรณ์พาสซีฟที่สำคัญทั้งหมดที่จำเป็น แพ็คเกจอาร์เรย์ลูกกริดอาเรย์ (BGA) 49 หน้าสัมผัสขนาดเล็กตรงตามข้อกำหนดของฟอร์มแฟกเตอร์ขนาดกะทัดรัด

ADAQ4003 ให้พื้นที่บอร์ดพีซีที่ลดลงได้ดีกว่าสี่เท่า (4x) เมื่อเทียบกับเลย์เอาต์ที่ไม่ต่อเนื่องดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3: ADAQ4003 (ซ้าย) ที่ถอดฝาครอบออกเมื่อเปรียบเทียบกับวงจรที่เหมือนกันกับส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่องจะใช้พื้นที่ผิวน้อยกว่าหนึ่งในสี่ (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ข้อดีของ µModule เมื่อเทียบกับการใช้งานแบบแยกส่วนมีมากมาย รอยเท้าที่เล็กลง ส่วนประกอบอยู่ใกล้กันเพื่อการติดตามอุณหภูมิที่ดีขึ้น เช่นเดียวกับผลกระทบแฝงที่ลดลงเนื่องจากการเหนี่ยวนำของตะกั่วและความจุจร

แผนภาพบล็อกการทำงานของ ADAQ4033 แสดงองค์ประกอบหลักสี่ประการที่พบในทุกระบบการเก็บข้อมูล (ภาพที่ 4)

รูปที่ 4: แผนภาพบล็อกการทำงานของ ADAQ4003 แสดงให้เห็นว่าบรรจุลงในแพ็คเกจ BGA ขนาด 7 x7 มม. 49 หน้าสัมผัสจำนวนเท่าใด (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

แม้จะมีขนาดทางกายภาพที่เล็ก ADAQ4003 ก็รวมเอาส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่สำคัญโดยใช้เทคโนโลยี iPassives ของ Analog Devices พาสซีฟแบบบูรณาการถูกประดิษฐ์ขึ้นบนซับสเตรตซึ่งมีการสร้างเครือข่ายแบบพาสซีฟหลายเครือข่ายพร้อมกัน กระบวนการผลิตทำให้ชิ้นส่วนเหล่านี้มีความแม่นยำสูง ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบอาร์เรย์ตัวต้านทานจะจับคู่ได้ภายใน 0.005% ส่วนประกอบที่อยู่ติดกันซึ่งเว้นระยะห่างกันอย่างใกล้ชิดนั้นเข้ากันได้ดีในค่าเริ่มต้น ซึ่งดีกว่าพาสซีฟแบบแยกส่วนอย่างแน่นอน เมื่อใช้งานกับซับสเตรตทั่วไป ค่าของส่วนประกอบจะติดตามอุณหภูมิ ความเค้นทางกล และอายุการเสื่อมสภาพได้ดีกว่าเนื่องจากโครงสร้างแบบบูรณาการของส่วนประกอบ

ดังที่กล่าวไว้ SAR 18 บิต ADC สามารถโอเวอร์คล็อกได้สูงถึง 2 MS/s แต่ทำงานโดยไม่มีสถานะโค้ดที่ขาดหายไป ค่าที่แม่นยำและการจับคู่ส่วนประกอบแบบพาสซีฟช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมจาก ADC มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนและการบิดเบือน (SINAD) ทั่วไปที่ 99 เดซิเบล (dB) ที่การตั้งค่าเกนที่ 0.454 ปริพันธ์ไม่เชิงเส้นของมันคือ 3 ส่วนต่อล้าน (ppm) อาร์เรย์ตัวต้านทานอินพุตสามารถรัดด้วยพินได้ ทำให้การตั้งค่าเกนเป็น 0.454, 0.909, 1.0 หรือ 1.9 เพื่อให้อินพุตตรงกับช่วงเต็มสเกลของ ADC จึงเป็นการเพิ่มช่วงไดนามิกสูงสุด การจับคู่ส่วนประกอบที่สำคัญส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดเกนต์ที่ ± 0.5 ppm/C° และค่าความผิดพลาดออฟเซ็ต 0.7 ppm/C° ที่ช่วงเกน 0.454

บล็อก ADC นำหน้าด้วยไดรเวอร์ของ FDA โดยมี CMRR 90 dB ในทุกช่วงเกนในการกำหนดค่าส่วนต่าง แอมพลิฟายเออร์มีช่วงอินพุตโหมดทั่วไปที่กว้างมาก ซึ่งขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าวงจรเฉพาะและการตั้งค่าเกน FDA สามารถใช้เป็นแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลได้ แต่ยังสามารถแปลงจากปลายด้านเดียวเป็นดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับอินพุตแบบปลายเดียวได้

มีตัวกรอง RC ขั้วเดียว ใช้งานแตกต่างกันโดยใช้ส่วนประกอบภายในระหว่างโปรแกรมควบคุมของ FDA และ ADC สิ่งนี้ออกแบบมาเพื่อจำกัดสัญญาณรบกวนที่อินพุต ADC และลดผลกระทบของแรงดันไฟย้อนกลับที่มาจากอินพุตตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อกแบบ capacitive (DAC) ของ SAR ADC

ADAQ4003 ยังมีบัฟเฟอร์อ้างอิงที่กำหนดค่าไว้ที่อัตราขยายที่เป็นเอกภาพเพื่อขับเคลื่อนอิมพีแดนซ์อินพุตแบบไดนามิกของโหนดอ้างอิง SAR ADC อย่างเหมาะสม รวมตัวเก็บประจุ ดีคัปปลิ้ง ที่จำเป็นสำหรับโหนดอ้างอิงแรงดันไฟและอุปกรณ์จ่ายไฟไว้ด้วย ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนเหล่านี้มีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESR) และค่าความเหนี่ยวนำอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESL) ความจริงที่ว่าสิ่งเหล่านี้อยู่ภายใน ADAQ4003 ช่วยให้รายการวัสดุ (BOM) นั้นง่ายขึ้น

อินเทอร์เฟซดิจิทัลสำหรับ ADAQ4003 ใช้อินเทอร์เฟซอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรม (SPI) ที่เข้ากันได้กับ DSP, MICROWIRE และ QSPI การใช้แหล่งจ่ายไฟ VIO แยกต่างหาก อินเทอร์เฟซเอาต์พุตเข้ากันได้กับลอจิก 1.8 โวลต์ 2.5 โวลต์ 3 โวลต์หรือ 5 โวลต์

ADAQ4003 ทำงานโดยมีการกระจายพลังงานทั้งหมดต่ำ—เพียง 51.5 มิลลิวัตต์ (mW) ที่อัตราสัญญาณนาฬิกาสูงสุด 2 MS/s—และมีการกระจายพลังงานที่ต่ำกว่าที่อัตราการตอกบัตรที่ต่ำกว่า

รูปแบบทางกายภาพของ ADAQ4003 ช่วยนักออกแบบในการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณและประสิทธิภาพโดยแยกสัญญาณอนาล็อกและดิจิทัล พินเอาต์มีสัญญาณอนาล็อกทางด้านซ้ายและสัญญาณดิจิทัลทางด้านขวา ช่วยให้นักออกแบบสามารถแยกส่วนแอนะล็อกและดิจิทัลที่มีความละเอียดอ่อนเพื่อลดการครอสโอเวอร์ใด ๆ

รุ่นวงจร

Analog Devices ทำให้โมเดลจำลองพร้อมใช้งาน โดยเป็นโมเดลสำหรับ ADAQ4003 ในโปรแกรมจำลอง LTspice ที่ให้บริการฟรี นอกจากนี้ยังทำให้โมเดล IBIS พร้อมใช้งานสำหรับเครื่องจำลองวงจรเชิงพาณิชย์อื่น ๆ

LTspice มีวงจรอ้างอิงพื้นฐานโดยใช้ ADAQ4003 ดังแสดงในรูปที่ 5 อุปกรณ์นี้ใช้ในการกำหนดค่าอินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียล และตัวต้านทานอินพุตถูกรัดไว้เพื่อตั้งค่า FDA ให้เพิ่มขึ้นเป็น 0.454 โดยใส่ตัวต้านทานอินพุต 1.0 และ 1.1 กิโลโอห์ม (kΩ) เป็นอนุกรม การตั้งค่าแรงดันอ้างอิงรุ่นคือ 5 โวลต์ และใช้นาฬิกาแปลง 2 MS/s

รูปที่ 5: ADI ทำให้โมเดลจำลอง LTspice พร้อมใช้งานสำหรับ ADAQ4003 โดยใช้การกำหนดค่าอินพุตส่วนต่าง (ที่มารูปภาพ: Art Pini)

โมเดล LTspice เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการออกแบบใด ๆ ที่สามารถตรวจสอบเพิ่มเติมได้โดยใช้กระดานประเมินผล

บอร์ดประเมินผล

เมื่อพิจารณา ADAQ4003 แล้วนั้น มีความเหมาะสมที่จะให้ run ตามจังหวะของมันโดยใช้บอร์ดประเมินผล EVAL-ADAQ4003FMCZ ชุดมัลติบอร์ดนี้ประกอบด้วยบอร์ดประเมินผลและการ์ดชั้นลอยแบบตั้งโปรแกรมได้สำหรับภาคสนาม ใช้งานได้กับ EVAL-SDP-CH1Z แพลตฟอร์มสาธิตระบบจาก Analog Devices ADI ยังจัดหา การวิเคราะห์/การควบคุม/การประเมิน (ACE) ซอฟต์แวร์สาธิตพร้อมปลั๊กอินเฉพาะผลิตภัณฑ์ ให้ผู้ใช้ทำการทดสอบผลิตภัณฑ์โดยละเอียด รวมถึงการวิเคราะห์ฮาร์มอนิก และการวัดค่าความไม่เชิงเส้นเชิงปริพันธ์และเชิงอนุพันธ์

บทสรุป

สำหรับนักออกแบบที่ได้รับมอบหมายให้พัฒนาระบบ DAQ ประสิทธิภาพสูงอย่างรวดเร็วในขณะที่รักษาขนาดและต้นทุนให้น้อยที่สุด ADAQ4003 µModule เป็นตัวเลือกที่ดี อุปกรณ์ลดวงจรการพัฒนาของระบบการวัดที่แม่นยำโดยขจัดความท้าทายในการออกแบบสายสัญญาณของการเลือกส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่อง การปรับให้เหมาะสม และการจัดวาง ADAQ4003 ช่วยลดความยุ่งยากในกระบวนการออกแบบโดยช่วยลดอุปกรณ์ต่าง ๆ ลงเป็นชิ้นเดียวด้วยโซลูชันการรับข้อมูลที่มีประสิทธิภาพและประหยัดพื้นที่ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบที่สามารถทำได้เอง