Come risparmiare spazio e tempo di sviluppo nella progettazione di sistemi di acquisizione dati di precisione

I progettisti di sistemi per l'automazione industriale e l'assistenza sanitaria utilizzano sempre più spesso tecnologie avanzate di rilevamento e acquisizione di immagini e video per la digitalizzazione e l'analisi. Tuttavia, l'analisi è attendibile solo se sono attendibili i dati di ingresso, la cui acquisizione si basa su alte prestazioni, alta gamma dinamica, condizionamento del segnale preciso e stabile e blocchi di conversione. La progettazione di questi blocchi usando metodi a circuito discreto richiede notevoli risorse, spazio sulla scheda e tempo, che fanno lievitare il costo complessivo.

Allo stesso tempo, i progettisti devono assicurarsi che i loro sistemi finali rimangano competitivi, il che significa abbassare il più possibile i costi e il time-to-market, assicurando comunque prestazioni eccezionali.

Questo articolo descrive brevemente un tipico sistema di acquisizione dati e i suoi elementi fondamentali. Presenta quindi un modulo di acquisizione dati (DAQ) di Analog Devices Inc. che integra molti di questi elementi critici per fornire prestazioni stabili, a 18 bit, 2 MS/s. Viene anche introdotta una scheda di valutazione per aiutare i progettisti a familiarizzare con il modulo e su come usarlo.

Elementi di un sistema di acquisizione dati

Un tipico sistema di acquisizione dati è mostrato nella Figura 1. Il segnale di interesse è rilevato da un sensore che emette un segnale elettrico in risposta a qualche fenomeno fisico. Le uscite del sensore possono essere sbilanciate o differenziali e possono richiedere un certo condizionamento del segnale, come il filtraggio. Per ottenere la massima gamma dinamica possibile dal convertitore analogico/digitale (ADC), il segnale deve essere amplificato per corrispondere all'intervallo della tensione di ingresso dell'ADC. Il guadagno e l'offset dell'amplificatore sono generalmente controllati da resistori di precisione che devono essere accordati attentamente per considerazioni sulla dinamica e sulla deriva termica. Le dipendenze dalla temperatura di solito richiedono che i componenti siano in stretta vicinanza fisica. Le condizioni dinamiche includono livelli di rumore e distorsione che devono essere ridotti al minimo.

Figura 1: Un tipico sistema DAQ acquisisce i dati da un sensore, li condiziona, ottimizza l'ampiezza del segnale applicato all'ADC e comunica i dati digitali al processore del sistema. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) deve avere una gamma dinamica sufficiente, indicata dal numero di bit di risoluzione. Richiede anche un riferimento di tensione bufferizzato, stabile e pulito.

Infine, i dati acquisiti devono essere accessibili tramite un'interfaccia di comunicazione. L'implementazione di un tale sistema di acquisizione dati usando componenti discreti richiede parecchio spazio fisico e spesso risulta in prestazioni molto più scarse rispetto a quelle ottenute da un dispositivo integrato. Come esempio, si consideri che i requisiti di prestazione di un amplificatore differenziale per pilotare un ADC sono tali che i resistori di ingresso e di retroazione su entrambe i canali dell'ingresso dell'amplificatore devono essere strettamente accordati, poiché qualsiasi squilibrio diminuirà il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR). Allo stesso modo, i resistori di ingresso devono essere accordati con precisione a quelli di retroazione per impostare il guadagno dello stadio. Anche questi resistori devono seguire la temperatura, il che richiede che siano fisicamente vicini tra loro. Inoltre, il layout generale del circuito è fondamentale per preservare l'integrità del segnale e ridurre al minimo la risposta parassita.

Il modulo DAQ integrato fa risparmiare tempo e spazio

Per soddisfare i requisiti di prestazione riducendo le dimensioni e i tempi di sviluppo, i progettisti possono utilizzare il System-in-Package (SiP) µModule ADAQ4003BBCZdi Analog Devices come alternativa alle implementazioni discrete (Figura 2). Di soli 7 x 7 mm, ADAQ4003 si concentra sull'integrazione delle sezioni più comuni di una catena di segnale, tra cui il condizionamento del segnale e la digitalizzazione, per fornire una soluzione di catena di segnale più completa con prestazioni avanzate. In questo modo, colma il divario tra i componenti discreti standard e i CI altamente integrati specifici del cliente per risolvere le esigenze di acquisizione dei dati.

Figura 2: Una vista in sezione di un SiP µModule che combina più blocchi comuni di elaborazione del segnale in un singolo dispositivo di soli 7 mm per lato. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

ADAQ4003 combina un ADC SAR ad alta risoluzione a 18 bit che funziona fino a 2 MS/s, un amplificatore driver ADC (FDA) a basso rumore e completamente differenziale, un buffer di riferimento di tensione stabile e tutti i dispositivi passivi critici necessari. Il contenitore BGA (Ball Grid Array) a 49 contatti soddisfa i requisiti di un fattore di forma compatto.

ADAQ4003 offre una riduzione di quattro volte migliore dell'area sulla scheda CS rispetto a un layout discreto, come mostra la Figura 3.

Figura 3: ADAQ4003 (a sinistra) senza il coperchio rispetto a un circuito identico implementato con componenti discreti occupa meno di un quarto della superficie. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I vantaggi di un µModule rispetto all'implementazione discreta sono molti. Con un ingombro minore, i componenti sono fisicamente vicini per un miglior tracciamento della temperatura, così come gli effetti parassiti sono ridotti dovuti all'induttanza dei conduttori e alla capacità parassita.

Il diagramma a blocchi funzionali di ADAQ4033 mostra i quattro componenti chiave presenti in ogni sistema di acquisizione dati (Figura 4).

Figura 4: Il diagramma a blocchi funzionali di ADAQ4003 mostra l'interno del contenitore BGA di 7 x 7 mm e 49 contatti. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nonostante le sue piccole dimensioni fisiche, ADAQ4003 incorpora i componenti passivi critici utilizzando la tecnologia iPassives di Analog Devices. I componenti passivi integrati sono fabbricati su substrati dove vengono prodotte più reti passive contemporaneamente. Il processo di fabbricazione li produce con grande precisione. Ad esempio, i componenti dell'array di resistori sono accordati entro 0,005%. I componenti adiacenti, molto vicini, sono ben accordati nel valore iniziale, certamente molto meglio dei componenti passivi discreti. Implementati su un substrato comune, i valori dei componenti tracceranno anche meglio la temperatura, le sollecitazioni meccaniche e l'invecchiamento grazie alla struttura integrata del componente.

Come accennato, l'ADC SAR a 18 bit può funzionare fino a 2 MS/s, senza perdita di codice. Il valore preciso e l'accordatura dei componenti passivi assicurano prestazioni eccellenti dall'ADC. Ha un tipico rapporto segnale/rumore e distorsione (SINAD) di 99 dB con un'impostazione di guadagno di 0,454. La sua non linearità integrale è tipicamente di 3 ppm. L'array di resistori di ingresso può essere ponticellato ai pin, per impostazioni di guadagno di 0,454, 0,909, 1,0, o 1,9 in modo da accordare l'ingresso all'intervallo di fondo scala dell'ADC, massimizzando così la sua gamma dinamica. L'accordatura dei componenti critici si traduce in una deriva dell'errore di guadagno di ± 0,5 ppm/°C e una deriva dell'errore di offset di 0,7 ppm/°C nell'intervallo di guadagno di 0,454.

Il blocco ADC è preceduto dal driver FDA con un CMRR di 90 dB su tutti gli intervalli di guadagno nella configurazione differenziale. L'amplificatore ha un intervallo di ingresso di modo comune molto ampio che dipende dalle configurazioni specifiche del circuito e dalle impostazioni di guadagno. L'FDA può essere usato come amplificatore differenziale, ma può anche eseguire la conversione da sbilanciato a differenziale per ingressi sbilanciati.

Vi è un filtro RC unipolare, implementato in modo differenziale usando componenti interni tra il driver FDA e l'ADC. Questo è destinato a limitare il rumore agli ingressi ADC e a ridurre l'effetto dei contraccolpi di tensione provenienti dall'ingresso capacitivo del convertitore digitale/analogico (DAC) di un ADC SAR.

ADAQ4003 ospita anche un buffer di riferimento configurato a guadagno unitario per pilotare in modo ottimale l'impedenza di ingresso dinamica del nodo di riferimento dell'ADC SAR. Sono inclusi anche tutti i condensatori di disaccoppiamento necessari per il nodo di riferimento della tensione e le alimentazioni. Questi condensatori di disaccoppiamento presentano una bassa resistenza equivalente in serie (ESR) e una bassa induttanza equivalente in serie (ESL). Il fatto che siano interni ad ADAQ4003 semplifica ulteriormente la distinta base.

L'interfaccia digitale per ADAQ4003 è un'interfaccia periferica seriale (SPI) compatibile con DSP, MICROWIRE e QSPI. Utilizzando un'alimentazione VIO separata, l'interfaccia di uscita è compatibile con la logica a 1,8 V, 2,5 V, 3 V o 5 V.

ADAQ4003 funziona con una bassa dissipazione di potenza totale - solo 51,5 mW alla massima velocità di clock di 2 MS/s - e con una dissipazione di potenza inferiore alle velocità di clock inferiori.

Il layout fisico di ADAQ4003 aiuta i progettisti a mantenere l'integrità del segnale e le prestazioni separando i segnali analogici e digitali. La piedinatura ha segnali analogici a sinistra e segnali digitali a destra, così che i progettisti possano isolare le sezioni sensibili analogiche e digitali per ridurre al minimo qualsiasi crossover.

Modelli circuitali

Analog Devices offre modelli di simulazione e un modello per ADAQ4003 nel suo simulatore gratuito LTspice. Rende anche disponibile un modello IBIS per altri simulatori di circuiti commerciali.

LTspice include un circuito di riferimento di base che utilizza ADAQ4003, mostrato nella Figura 5. Il dispositivo è utilizzato in una configurazione di ingresso differenziale e i resistori di ingresso sono legati per impostare il guadagno FDA a 0,454 mettendo in serie i resistori di ingresso da 1,0 e 1,1 kΩ. L'impostazione della tensione di riferimento del modello è di 5 V e utilizza un clock di conversione di 2 MS/s.

Figura 5: ADI rende disponibili i modelli di simulazione LTspice per ADAQ4003 utilizzando una configurazione di ingresso differenziale. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il modello LTspice è un punto di partenza per qualsiasi progetto che può essere ulteriormente verificato con una scheda di valutazione.

Schede di valutazione

Quando si considera ADAQ4003, è opportuno metterlo alla prova utilizzando la scheda di valutazione EVAL-ADAQ4003FMCZ. Questo set multi-scheda include la scheda di valutazione e una scheda mezzanine di array programmabile sul campo. Queste schede funzionano con la piattaforma dimostrativa di sistema EVAL-SDP-CH1Z di Analog Devices. ADI fornisce anche il software dimostrativo Analysis/Control/Evaluation (ACE) con plug-in specifici del prodotto, in modo che l'utente possa eseguire test dettagliati del prodotto, compresa l'analisi delle armoniche e le misurazioni di non linearità integrale e differenziale.

Conclusione

Per i progettisti che hanno il compito di sviluppare rapidamente sistemi DAQ ad alte prestazioni mantenendo al minimo le dimensioni e i costi, il micromodulo ADAQ4003 è una buona opzione. Il dispositivo riduce il ciclo di sviluppo di un sistema di misurazione di precisione eliminando le difficoltà di progettare la catena di segnale della selezione dei componenti discreti, dell'ottimizzazione e del layout. ADAQ4003 semplifica ulteriormente la progettazione fornendo un singolo componente con una soluzione di acquisizione dati ottimizzata e poco ingombrante come base per un progetto personalizzato.