כיצד לחסוך מקום וזמן פיתוח בעת תכנון מערכות איסוף נתונים מדויקות

מתכנני מערכות לאוטומציה תעשייתית וטיפולי בריאות משתמשים יותר ויותר בטכנולוגיית חישה, גילוי וצילום תמונות ווידאו מתקדמים לצורך דיגיטציה וניתוח. עם זאת, הניתוח הוא טוב רק כמו נתוני הקלט, שאיסופם מסתמך על ביצועים עיליים, תחום דינמי רחב, אכשור אותות מדויק ויציב, ובלוקי המרה. התכנון של בלוקים אלה באמצעות שיטות מעגלים בדידים דורש משאבי תכנון ניכרים, שטח לוח וזמן, וכל אלה מוסיפים לעלות הכוללת.

יחד עם זאת, המתכננים צריכים להבטיח שמערכות הקצה שלהם תישארנה תחרותיות, כשהמשמעות היא הורדת העלות וקיצור זמן היציאה לשוק ככל האפשר תוך הבטחת ביצועים יוצאי-דופן.

מאמר זה מתאר בקצרה מערכת איסוף נתונים טיפוסית ואת מרכיבי הליבה שלה. לאחר מכן הוא מציג מודול איסוף נתונים (DAQ) מבית .Analog Devices Inc המשלב רבים מאותם אלמנטים קריטיים כדי לספק ביצועים יציבים, Bit‏-18‏, 2 מגה-דגימות לשנייה (MS/s). כדי לעזור למתכננים להכיר את המודול וכיצד להשתמש בו מוצג גם לוח הערכה.

האלמנטים של מערכת DAQ

מערכת איסוף נתונים טיפוסית מוצגת באיור 1. האות המעניין נקלט על ידי חיישן שמוציא אות חשמלי בתגובה לתופעות פיזיקליות מסוימות. יציאות החיישן עשויות להיות קצה-יחיד (Single-Ended‏) או דיפרנציאליות ועשויות לדרוש אכשור אותות כגון סינון. על מנת להשיג את התחום הדינמי המקסימלי האפשרי מהממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC), יש להגביר את האות כך שיתאים לתחום מתחי הכניסה של ה-ADC. ההגבר וההיסט (Offset) של המגבר מבוקרים בדרך כלל על ידי נגדים מדויקים שיש להתאים אותם בקפידה לשיקולים של סחיפה דינמית וטמפרטורה. התלות בטמפרטורה מחייבת בדרך כלל שהרכיבים יהיו בסמיכות פיזית. התנאים הדינמיים כוללים רמות רעש ועיוותים שיש להקטין למינימום.

איור 1: מערכת DAQ טיפוסית אוספת נתונים מחיישן, מאכשרת אותם, ממטבת את אמפליטודת האות המיושם על ה-ADC, ומעבירה את הנתונים הדיגיטליים למעבד המערכת. (מקור תמונה: Analog Devices)

ממיר ADC‏ עם רגיסטר קירוב-עוקב (SAR‏) חייב להיות בעל תחום דינמי מתאים, המצוין על ידי מספר הביטים של הרזולוציה. הוא דורש גם ייחוס מתח יציב, נקי ועם חוצץ.

לבסוף, הנתונים הנאספים צריכים להיות נגישים באמצעות ממשק תקשורת. מימוש מערכת איסוף נתונים כזו באמצעות רכיבים בדידים דורש יותר מקום פיזי ולרוב גורם לביצועים גרועים בהרבה מאלה המתקבלים מהתקן משולב. כדוגמה, קחו בחשבון שדרישות הביצועים של מגבר דיפרנציאלי לדחיפת ADC הן כאלה החייבות תיאום של נגדי הכניסה והמשוב בשתי הרגליים של כניסת המגבר, שכן כל אי-איזון יקטין את יחס דחיית אופן משותף (CMRR). בדומה, יש להתאים את נגדי הכניסה במדויק לנגדי המשוב כדי להגדיר את הגבר הדרגה. נגדים אלה חייבים גם לעקוב אחר הטמפרטורה, ולכן הם צריכים להיות ממוקמים קרוב זה לזה. בנוסף, פרישת המעגל הכוללת היא קריטית לשימור תקינות האות והקטנה למינימום של התגובה הפרזיטית.

מודול DAQ משולב חוסך זמן ומקום

כדי לעמוד בדרישות הביצועים תוך צמצום הגודל וקיצור זמן התכנון, המתכננים יכולים להשתמש במערכת-בתוך-במארז (SiP‏) μModule‏ ADAQ4003BBCZ‏ מבית Analog Devices‏ כחלופה למימושים בדידים (איור 2‏). עם גודל של 7x7 מילימטרים (מ"מ), ה-ADAQ4003 מתמקד בשילוב המקטעים הנפוצים ביותר בשרשרת האותות, כולל אכשור אותות ודיגיטציה, כדי לספק פתרון שלם יותר לשרשרת אותות עם ביצועים מתקדמים. בכך הוא ממלא את הפער בין רכיבים בדידים סטנדרטיים לבין IC משולבים ביותר ספציפיים-ללקוח כדי לפתור צורכי איסוף נתונים.

איור 2: מבט חתוך של µModule SIP המשלב מספר בלוקים של עיבוד אותות נפוצים בתוך התקן יחיד בגודל של 7 מ"מ בלבד בכל צד. (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-ADAQ4003 משלב SAR ADC ברזולוציה גבוהה של Bit‏-18‏ הפועל במהירות של עד MS/s‏ 2‏, מגבר דוחף ADC בעל רעש נמוך דיפרנציאלי במלואו (FDA), חוצץ ייחוס מתח יציב, וכל ההתקנים הפסיביים הקריטיים הנדרשים. המארז הקטן שלו Ball Grid Array‏ (BGA‏) עם 49 מגעים עומד בדרישות של גורם צורה קומפקטי.

ה-ADAQ4003 מציע יותר מאשר הקטנה פי ארבע (4x‏) בשטח לוח המעגלים המודפסים בהשוואה לפרישה של רכיבים בדידים כפי שמוצג באיור 3.

איור 3: ה-ADAQ4003 (משמאל) כשהכיסוי שלו הוסר, בהשוואה למעגל זהה הממומש עם רכיבים בדידים, תופס פחות מרבע משטח המשטח. (מקור תמונה: Analog Devices)

היתרונות של ה- µModule בהשוואה למימוש עם רכיבים בדידים הם רבים. חתימת-שטח קטנה יותר, רכיבים קרובים פיזית עבור עקיבת טמפרטורה טובה יותר, כמו גם השפעות פרזיטיות מופחתות עקב השראות מוליכים וקיבוליות תועה.

דיאגרמת הבלוקים הפונקציונלית של ה-ADAQ4033 מציגה את ארבעת מרכיבי המפתח הנמצאים בכל מערכת איסוף נתונים (איור 4).

איור 4: דיאגרמת הבלוקים הפונקציונלית של ה-ADAQ4003 מציגה כמה הוא כולל במארז ה-BGA שלו בגודל 7x7 מ"מ עם 49. (מקור תמונה: Analog Devices)

למרות גודלו הפיזי הקטן, ה-ADAQ4003 משלב את הרכיבים הפסיביים הקריטיים על ידי שימוש בטכנולוגיית iPassives של Analog Devices. רכיבים פסיביים משולבים מיוצרים על מצעים שבהם מספר רשתות פסיביות בו-זמנית. תהליך הייצור מייצר חלקים אלו בדיוק רב. לדוגמה, רכיבי מערך הנגדים מתואמים בתחום של 0.005%. רכיבים סמוכים, הקרובים מאוד האחד לשני, הם מתואמים היטב בערכם ההתחלתי, בוודאי הרבה יותר טוב מאשר רכיבים פסיביים בדידים. ממומשים על מצע משותף, ערכי הרכיב יהיו עקיבים יותר מבחינת הטמפרטורה, המאמץ המכני וההזדקנות במהלך החיים הודות למבנה המשולב של הרכיב.

כפי שצוין, שעון ה-SAR 18-bit ADC יכול להיות במהירות של עד MS/s‏ 2‏, אך הוא עדיין פועל ללא מצבי קוד חסרים. הערכים והתיאום המדויקים של הרכיבים הפסיביים מבטיחים ביצועים מצוינים של ה-ADC. יש לו יחס אות לרעש ועיוותים (SINAD) טיפוסי של 99 דציבלים (dB) בהגדרת הגבר של 0.454. האי-לינאריות האינטגרלית שלו היא בדרך כלל 3 חלקים למיליון (ppm). את פיני מערך נגדי הכניסה ניתן לחבר יחד, מה שמאפשר הגדרות הגבר של 0.454, 0.909, 1.0 או 1.9 כדי להתאים את הכניסה לתחום-המלא של ה-ADC, ובכך למקסם את התחום הדינמי שלו. תוצאת התיאום של הרכיבים הקריטיים היא סחיפת שגיאת הגבר של °‏C‏/ppm‏ 0.5‏± וסחיפת שגיאת היסט (Offset) של °‏C‏/ppm‏ 0.7 בתחום ההגבר של 0.454.

לפני בלוק ה-ADC יש את דוחף ה-FDA עם CMRR של dB‏ 90‏ בכל תחומי ההגבר בתצורה הדיפרנציאלית. למגבר יש תחום כניסות אופן-משותף רחב ביותר התלוי בתצורות מעגל והגדרות הגבר ספציפיות. ה-FDA יכול לשמש כמגבר דיפרנציאלי, אך יכול גם לבצע המרה מקצה-יחיד (Single-Ended‏) לדיפרנציאלי עבור כניסות קצה-יחיד.

קיים מסנן RC חד-קוטבי, הממומש באופן דיפרנציאלי באמצעות רכיבים פנימיים בין דוחף ה-FDA ל-ADC. זה נועד להגביל את הרעש בכניסות ה-ADC ולהפחית את ההשפעה של החזרי מתח המגיעים מכניסת הממיר הדיגיטלי-לאנלוגי (DAC) של ה- SAR ADC.

ה-ADAQ4003 מכיל גם חוצץ ייחוס המוגדר להגבר יחידה כדי לדחוף בצורה אופטימלית את אימפדנס הכניסה הדינמי של צומת הייחוס של ה-SAR ADC. כל קבלי ביטול-צימוד (Decoupling) הדרושים עבור צומת ייחוס המתח וספקי הכוח כלולים גם כן. לקבלי ביטול-צימוד (Decoupling) אלו יש התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה והשראות טורית אקוויוולנטית (ESL‏) נמוכה. העובדה שהם פנימיים ל-ADAQ4003 מפשטת עוד יותר את מפרט החומרים (BOM).

הממשק הדיגיטלי עבור ה-ADAQ4003 משתמש בממשק היקפי טורי (SPI) התואם ל-DSP, MICROWIRE ו-QSPI. באמצעות הספקת-כוח VIO נפרדת, ממשק היציאה תואם ללוגיקה של 1.8 וולט, 2.5 וולט, 3 וולט או 5 וולט.

ה-ADAQ4003 פועל עם פיזור הספק כולל נמוך - 51.5 מיליוואט (mW) בלבד בקצב השעון המקסימלי של MS/s‏ 2‏ - ועם פיזור הספק נמוך יותר בקצבי שעון נמוכים יותר.

הפרישה הפיזית של ה-ADAQ4003 מסייעת למתכננים בשמירה על תקינות האותות והביצועים על ידי הפרדת האותות האנלוגיים והדיגיטליים. ב-Pinout האותות האנלוגיים הם בצד שמאל והאותות הדיגיטליים בצד ימין, המאפשרים למתכננים לבודד חלקים אנלוגיים ודיגיטליים רגישים כדי להקטין למינימום כל Crossover‏.

מודלי מעגלים

חברת Analog Devices מספקת מודלי סימולציה, ועבור ה-ADAQ4003 קיים מודל בסימולטור ה-LTspice החינמי שלה. היא גם מספקת מודל IBIS‏ עבור סימולטורי מעגלים מסחריים אחרים.

ה- LTspice כולל מעגל ייחוס בסיסי באמצעות ה-ADAQ4003, המוצג באיור 5. ההתקן משמש בתצורת כניסה דיפרנציאלית, ונגדי הכניסה מחוברים יחד כדי להגדיר את הגבר FDA ל-0.454 על ידי נגדי הכניסה של 1.0 ו-1.1 קילו-אוהם (kΩ) בטור. מתח הייחוס של המודל מכוון ל-5 וולט, ושעון ההמרה הוא MS/s‏ 2‏.

איור 5: ADI מספקת מודלי סימולציה LTspice עבור ה-ADAQ4003 באמצעות תצורת כניסה דיפרנציאלית. (מקור תמונה: Art Pini)

מודל LTspice הוא נקודת ההתחלה עבור כל תכן שניתן לאמת אותו עוד יותר באמצעות לוח הערכה.

לוחות הערכה

כאשר שוקלים את ה-ADAQ4003, יהיה זה מן הנכון להפעיל אותו באמצעות לוח ההערכה EVAL-ADAQ4003FMCZ. סט רב-לוחות זה כולל את לוח ההערכה וכרטיס Mezzanine‏ למערך ניתן-לתכנות בשטח. אלה עובדים עם פלטפורמת ההדגמה של מערכת EVAL-SDP-CH1Z מבית Analog Devices‏. ADI מספקת גם תוכנת הדגמה של ניתוח/בקרה/הערכה (ACE) עם תוספים ספציפיים-למוצר, המאפשרת למשתמש לבצע בדיקות מוצר מפורטות כולל ניתוח הרמוניות, ומדידות אי-לינאריות דיפרנציאליות ואינטגרליות.

סיכום

עבור מתכננים המופקדים על פיתוח מהיר של מערכות DAQ עם ביצועים עיליים תוך שמירה על גודל ועלות מינימליים, ה-ADAQ4003 µModule הוא אופציה טובה. ההתקן מקצר את מחזור הפיתוח של מערכת מדידה מדויקת על ידי הסרת אתגרי תכנון שרשרת האותות של בחירת רכיבים בדידים, אופטימיזציה ופרישה. ה-ADAQ4003 מפשט עוד יותר את תהליך התכנון הודות לרכיב יחיד עם פתרון איסוף נתונים אופטימלי וחסכוני-במקום כבסיס לתכן מותאם-במיוחד.