Průmyslová automatizace využívá pokročilé technologie snímání a analýzu obrazu a videa. Analýza je závislá na kvalitě vstupních dat, jejichž sběr závisí na dostatečném výkonu, dynamickém rozsahu, ale i na přesné a stabilní úpravě signálu. Návrh obvodů pro úpravu signálu pomocí diskrétních součástek vyžaduje znalosti a velký prostor na desce. To vše zvyšuje celkové náklady vývoje, a proto tu existuje integrované řešení, které usnadní celý vývojový cyklus.

Tento článek stručně popisuje typický systém pro sběr dat a jeho základní prvky. Poté si představíme modul pro sběr dat (DAQ) od Analog Devices Inc, který poskytuje stabilní 18 bitový výkon 2 MS/s (Mega samples / s). Dále si představíme vývojovou desku, která pomůže uživatelům seznámit se s modulem a jak jej používat v praxi.

Prvky systému DAQ

Typický systém pro sběr dat je znázorněn na obrázku 1. Fyzikální jev je zachycován senzorem, který vydává elektrický signál. Tento signál se obvykle upravuje například pomocí filtrování než se předá dále k další analýze.

Pro získání maximálního dynamického rozsahu analogově-digitálního převodníku (ADC) musí být signál zesílen tak, aby odpovídal rozsahu vstupního napětí ADC. Zesílení a offset zesilovače jsou nastaveny pomocí přesných rezistorů, které je nutné pečlivě vybrat s ohledem na dynamický a teplotní drift. Teplotní závislosti jednotlivých součástek lze eliminovat tak, že budou umístěny těsně vedle sebe. Dynamické vlastnosti, jako úroveň šumu a zkreslení je nutné také minimalizovat.

Obrázek 1: Typický DAQ systém pro získávání dat ze senzoru, signál upravuje, optimalizuje amplitudu a předává dále do systémového procesoru k další analýze. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

SAR registr převodníku ADC musí mít dostatečný dynamický rozsah, který je určen počtem bitů rozlišení. Převodník vyžaduje stabilní referenční napětí a dostatečně velikou vyrovnávací paměť. V konečné fázi jsou získaná data přístupná přes komunikační rozhraní. Implementace takového systému pro sběr dat pomocí diskrétních komponent vyžaduje velkou plochu na desce plošných spojů a často vede k menšímu výkonu, než je výkon získaný pomocí integrovaného řešení.

Hodnoty vstupních a zpětnovazebních rezistorů na obou větvích vstupu zesilovače musí mít minimální odchylku. Jakákoli nevyváženost sníží činitel potlačení soufázového signálu CMRR. Stejně tak vstupní rezistory musí být přizpůsobeny zpětným rezistorům, aby bylo možné nastavit stupně zesílení. Hodnoty těchto rezistorů musí také stejně reagovat s teplotou, a to vyžaduje, aby byly umístěny co nejvíce blízko sebe.

Integrovaný DAQ modul šetří čas i prostor

Alternativou k diskrétnímu řešení je SIP µmodul ADAQ4003BBCZ s rozměry 7 x 7 mm. Jedná se o integrované řešení signálového řetězce, včetně úpravy signálu a digitalizace.

Obrázek 2: Pohled v řezu na µModule SIP, který obsahuje několik bloků pro zpracování signálu v jedné součástce o velikosti 7 x 7 mm. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

ADAQ4003 má integrovaný 18bitový ADC převodník s taktovací frekvencí až 2 MS/s, nízkošumový, plně diferenciální zesilovač (FDA), stabilní napěťovou referenční vyrovnávací paměť a všechny důležité pasivní součástky. ADAQ4003 je umístěn do 49 pinového BGA pouzdra. Použitím integrovaného řešení dojde ke čtyřnásobnému zmenšení plochy na desce ve srovnání s diskrétním řešením, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3: ADAQ4003 (vlevo) s odstraněným pouzdrem ve srovnání s identickým obvodem implementovaným pomocí diskrétních součástek. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Výhod µModulu ve srovnání s diskrétním řešením je mnoho. Menší půdorys, komponenty jsou fyzicky blízko sebe pro snížení teplotního driftu jednotlivých součástek a také snížení parazitních efektů v důsledku indukčnosti olova a rozptylové kapacity. Funkční blokové schéma ADAQ4033 ukazuje čtyři klíčové komponenty, které se nacházejí v každém systému pro sběr dat (obrázek 4).

Obrázek 4: Funkční blokové schéma ADAQ4003 ukazuje, kolik se toho vejde do pouzdra BGA o rozměrech 7 x 7 mm se 49 piny. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Navzdory své malé velikosti obsahuje ADAQ4003 všechny důležité pasivní komponenty pomocí technologie iPassives společnosti Analog Devices. Integrované pasivní součástky se vyrábějí na substrátech, na kterých se vyrábí několik sad pasivních součástek současně. Výrobní proces je nastaven tak, aby poskytoval pro jednotlivé díly vysokou přesnost. Například komponenty pro pole rezistorů se vyrábí s přesností 0,005 %. Díky integrovanému řešení jsou jednotlivé pasivní komponenty umístěny těsně vedle sebe a proto všechny součástky na společném substrátu budou mít tepelné vlastnosti, mechanické namáhání a stárnutí stejné.

Jak již bylo zmíněno, 18bitový ADC SAR lze taktovat rychlostí až 2 MS/s s nulovou chybovostí. Typický poměr signálu k šumu a zkreslení (SINAD) je 99 dB při zisku 0,454 a integrální nelinearita se pohybuje okolo 3 ppm. Pomocí vstupních rezistorů lze nastavit zisk 0,454, 0,909, 1,0 nebo 1,9, a tím vstup přizpůsobit plnému rozsahu ADC. Přizpůsobení pasivních komponent má za následek odchylku zesílení ± 0,5 ppm/C° a odchylku offsetu 0,7 ppm/C° při zesílení 0,454.

ADC převodníku předchází driver FDA s CMRR 90 dB ve všech rozsazích zisku v diferenciální konfiguraci. Zesilovač má velmi široký vstupní rozsah, který závisí na konkrétní konfiguraci obvodu a nastavení zisku. FDA driver lze použít jako diferenciální zesilovač nebo jako převdoník single-ended signálu na signál diferenciální.

K dispozici je jednopólový RC filtr, implementovaný diferenciálně pomocí interních komponent mezi driverem FDA a ADC. Vše je navrženo tak, aby se omezil šum na vstupech ADC a snížil se účinek zpětných rázů napětí přicházejících ze vstupu kapacitního digitálně-analogového převodníku (DAC) na vstupu SAR ADC.

ADAQ4003 obsahuje referenční vyrovnávací paměť nakonfigurovanou na jednotkové zesílení, aby optimálně řídila dynamickou vstupní impedanci referenčního uzlu SAR ADC. Součástí modulu jsou také všechny potřebné oddělovací kondenzátory pro napěťový referenční uzel a napájecí zdroje. Tyto oddělovací kondenzátory se vyznačují nízkým ekvivalentním sériovým odporem (ESR) a nízkou ekvivalentní sériovou indukčností (ESL).

ADAQ4003 používá pro komunikaci sériové rozhraní SPI, které je kompatibilní s DSP, MICROWIRE a QSPI. Při použití separátního napájení VIO je výstupní rozhraní kompatibilní s logikou 1,8 V, 2,5 V, 3 V nebo 5 V. ADAQ4003 pracuje s nízkým celkovým ztrátovým výkonem – pouze 51,5 mW při maximálním taktovacím kmitočtu 2 MS/s.

Fyzické uspořádání ADAQ4003 pomáhá udržovat integritu signálu a výkon oddělením analogových a digitálních signálů. Piny pro analogové signály jsou na levé straně a digitální signály na pravé straně. Toto rozdělení umožňuje izolovat citlivé analogové a digitální sekce, aby se minimalizovalo jakékoli křížení.

Modely obvodů pro simulace

Analog Devices poskytuje simulační model pro ADAQ4003 ve svém bezplatném simulátoru LTspice. Zpřístupňuje také model IBIS pro další komerční simulátory. LTspice obsahuje základní referenční obvod využívající ADAQ4003, znázorněný na obrázku 5. Model ADAQ4003 je v konfiguraci diferenciálního vstupu a zisk je nastaven na 0,454 vložením vstupních odporů 1,0 a 1,1 kΩ zapojených do série. Nastavení referenčního napětí modelu je 5 V a taktovací frekvence je nastavena na 2 MS/s.

Obrázek 5: ADI zpřístupňuje simulační modely LTspice pro ADAQ4003. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Model LTspice je jednou z možností jak se seznámit s ADAQ4003. Další možností je využít vývojovou desku.

Vývojové desky s ADAQ4003

K dispozici je vývojová deska EVAL-ADAQ4003FMCZ, která obsahuje vývojovou desku a programovatelnou kartu. Dále je možné využít vývojovou desku EVAL-SDP-CH1Z.  Analog Devices dodává demo software Analysis/Control/Evaluation (ACE) se specifickými zásuvnými moduly, které umožňují provádět podrobné testování produktu včetně harmonické analýzy a integrální a diferenciální měření nelinearity.

Obrázek 6: Eval-ADAQ4003FMCZ vlevo a Eval-SPD-CH1Z vpravo

Závěr

Pro konstruktéry, kteří mají za úkol rychle vyvinout vysoce výkonné DAQ systémy je ADAQ4003 µModule ideální volbou. µModule zkracuje vývojový cyklus přesného měřicího systému tím, že odstraňuje problémy s návrhem signálového řetězce spočívající ve výběru diskrétních komponent, jejich optimalizaci a vzájemné uspořádání. 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Art Pini.