פישוט תכן שרשרת אותות לאיסוף נתונים באמצעות פתרונות סטנדרטיים, ניתנים להתאמה-מיוחדת

שרשראות אותות הן חלק בלתי נפרד ממערכות אלקטרוניות רבות עבור תקשורת, התקנים ביו-רפואיים, אוטומציה תעשייתית, מכשור וחיישנים, ויישומים רבים אחרים. אדריכלי מערכות ומתכנני חומרה מתמודדים עם מספר אתגרים לוגיסטיים וטכניים באיזון דרישות ספציפיות לבין הצורך בצמצום חתימות-שטח, צמצום למינימום איטרציות תכנון והאצת זמן הגעה לשוק. אתגרים אלה מהווים את הסיבה לפתרונות משולבים, סטנדרטיים יותר, שעדיין ניתנים להתאמה-מיוחדת כדי לענות על צרכי היישום.

שרשראות אותות בדרך כלל כוללות רכיבים דיגיטליים ואנלוגיים, כגון ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs‏), מגברי שרת, מבודדים דיגיטליים ורכיבים ספציפיים ליישום. מהנדסים ומתכנני מוצרים המחפשים ליצור פתרונות אופטימליים חייבים לנווט בין פשרות מרובות בבחירת רכיבים, כולל רעש, צריכת הספק, רוחב-פס ועלות.

מתכננים רבים יוצרים שרשראות אותות איסוף נתונים עבור יישומים כגון ציוד בדיקה אוטומטי, תעופה, אוטומציית מכונות, ובמערכות שירותי בריאות, ניטור, דיאגנוסטיקה ודימות. מגמות חומרה מעדיפות ביצועי המרת נתונים מדויקת מתקדמים וחוסן מוגבר של תכנים מורכבים, לעתים קרובות מדגישות מגבלות תרמיות וצפיפות לוח מעגל מודפס (PCB).

השגת תפוקה גבוהה יותר, הקטנת הספק למינימום והגנה ודחיפת כניסות ADC יכולות ליצור התנגשויות תכנון בנוגע לשימוש במעגלים משולבים (ICs) ביותר ספציפיים ללקוח או רכיבים בדידים סטנדרטיים שהם חסכוניים יותר. שתי הגישות מייקרות את עלויות המחקר והפיתוח בפיתוח בלוקים מדויקים של שרשרת אותות בעלי ביצועים עיליים עבור יישומי קצה. הגישה של מעגלים משולבים ספציפיים ללקוח היא בדרך כלל יקרה יותר, אבל התקנים בדידים צפויים לרדת בביצועים שלהם לרוחב טמפרטורת העבודה ולאורך חיי המעגל.

.Analog Devices, Inc‏ (ADI) מטפלת בבעיות מרכזיות בתכנון שרשראות אותות לאיסוף נתונים על ידי מינוף אינטגרציה הטרוגנית באמצעות טכנולוגיית מערכת-במארז (SIP), כדי להשיג צפיפות גבוהה יותר, פונקציונליות מוגדלת, ביצועים משופרים וממוצע-זמן-עד-תקלה ארוך יותר. פתרונות שרשרת אותות מדויקת ®μModule של ADI מספקים פתרון משולב‏ ניתן להתאמה-מיוחדת, קומפקטי, המפשט תכנון, משפר ביצועים וחוסך זמן פיתוח.

שיפור צפיפות ללא פגיעה בביצועים

מטרה חשובה של שרשראות אותות מדויקות מתקדמות ‏היא לשפר את צפיפות שרשרת האותות מבלי לפגוע בביצועים, כשמתכננים מנסים להתאים יותר ערוצים באותו גורם צורה או לאמץ גישה של ADC-לערוץ.‏

שרשראות אותות איסוף נתונים חייבות להתממשק לעיתים קרובות עם חיישנים מרובים עם מתחי אות משותף ואותות כניסה שונים. בעיות נפוצות כוללות חוסר איזון מעגל או חוסר התאמה בנגדי משוב והגבר העלולות לגרום ליחס אות לרעש (SNR) לא רצוי, עיוותים, שגיאת הגבר ויחסי דחייה בכניסה.

פתרונות שרשרת אותות מדויקות μModule של ADI ‏משלבים רכיבים אנלוגיים ודיגיטליים מרובים במודול יחיד, תוך שימוש בטכנולוגיית ‏רכיבים פסיביים משולבים של החברה—iPassives—עם מעגלים משולבים (ICs) ומערכות-במארז (SiP) של ADI‏. ה-iPassives פותחה בחברת ADI לפני מספר שנים כדי להתגבר על מגבלות ומורכבויות העבר ‏של אימוץ רכיבים פסיביים בדידים המיוצרים בנפרד ומחוברים על PCB. זה מספק למפתחים כלי תכנון גמיש ליצור פתרונות מערכת חסונים עם הביצועים הטובים ביותר מסוגם וזמני מחזור פיתוח קצרים.

עם פתרונות μModule‏, מתכננים יכולים ליצור מה שנראה כהתקן יחיד המספק פונקציונליות שדרשה בעבר רכיבים בדידים מרובים בפתרונות ברמת-לוח. גישה זו מבטלת אי-התאמות ומאפשרת חתימות שטח קטנות יותר.

זמן הגעה מהיר יותר לשוק

מתכנני מערכות יכולים להשיג רמות גבוהות יותר של‏ אינטגרציה וזמן הגעה לשוק מהיר יותר תוך הבטחת ביצועי מהירות משופרים וצריכת הספק מופחתת‏ במחיר משתלם. גישת ה-μModule‏ מאפשרת פתרונות שלמים ארוזים בחתימות-שטח יעילות מרחבית וממטבת את הביצועים והאמינות של שרשרת אותות.

פתרונות שרשרת אותות מדויקת μModule של ADI שואפים להגדיל את הצפיפות בגורם צורה קטן יותר על ידי שילוב התקנים מהשורה הראשונה ותהליכי הרכבה 2.5D/3D מתקדמים‏‏ תוך כדי שמירה על ניהול יעיל של רכיבי המערכת. שילוב פונקציות כמו הגברה, סינון ו-ADC במודול יחיד מונע את הצורך ליצור פתרון שרשרת אותות לאיסוף נתונים מורכב באמצעות רכיבים בדידים. גישה זו מפחיתה באופן משמעותי אפקטים פרזיטיים של חיבוריות-בינית כגון השראות, קיבוליות והתנגדות.

עם ליבות מתוכננות מראש, מיוצרות, מאופיינות ובדוקות, שרשראות אותות מדויקות μModule‏ של ADI יכולות לקצר משמעותית זמן תכנון. הן גם באות עם שרשראות אותות מוגדרות-מראש ומשאבי תמיכה של ADI, כולל לוחות הערכה וערכות פיתוח תוכנה.

מתכננים יכולים לתפור את הפרמטרים והמאפיינים של שרשרת האותות לפי דרישות יישום מסוימות באמצעות חלוקה חכמה של‏ רכיבים. התוצאה של הגבר, רוחב-פס, אפשרויות סינון ותכונות ניתנות-להתאמה אחרות הניתנים לכוונון היא פלטפורמה רב-תכליתית שנותנת מענה לאתגרי תכנון שונים.

במקום להיאבק על יישום מורכב ברמת המעגל, עם μModules מתכנני מערכת יכולים להתמקד בתכנון ופונקציונליות ברמת מערכת, להגיע מהר יותר לאב טיפוס ותיקוף מערכת ובכך תתאפשר הגעה מהירה יותר לשוק של יישומים חדשניים על ידי קידום תזמון אגרסיבי יותר של תהליכים מהגדרת המערכת ועד למסירת חלקים.

רכיבים פסיביים המשפיעים על ביצועים ותפוקה משולבים בהתקן ה-μModule במהלך הייצור, מה שמביא לעלויות משניות נמוכות יותר, כגון Pick-and-Place הרכבה, הפסדי תשואה של PCB מערכת, תמיכה בהחזרות שדה וכיול שרשרת אותות. שילוב רכיבים פסיביים במצע ה-PCB מפחית מקורות שגיאה תלויי טמפרטורה תוך מזעור מספר הרכיבים הבדידים והחברורים על PCB, בסופו של דבר מפחיתים נקודות הלחמה ומשפרים אמינות.

ה-μModules‏ ADAQ7980 (איור 1‏) ו-ADAQ7988 של ADI הם מערכות איסוף נתונים ‏‎16-bit ADC המשלבות ארבעה בלוקים של עיבוד ואכשור אותות במארז LGA ‏5 מ"מ X‏ 4 מ"מ. מערכות אלו תומכות ביישומים שונים, כולל ציוד בדיקה אוטומטי, מכשור מוזן סוללה, תקשורת, בקרת תהליכים ומכשור רפואי. ההתקנים משלבים את הרכיבים הבדידים הקריטיים ביותר, מונעים אתגרי תכנון רבים הקשורים עם שרשראות אותות מסורתיות המשתמשות בממירי ADC מסוג אוגר קירוב-עוקב (SAR)‏. נוסף לכך, ניתן לשרשר התקנים מרובים על אפיק יחיד בעל 3 חוטים, באמצעות ממשק היקפי טורי (SPI)‏ תואם. כל הרכיבים האקטיביים ב-SIP‏ מתוכננים על ידי ADI, כולל:

• ‎ 16-bit SAR ADC‎‎דיוק-גבוה, הספק-נמוך
• דוחף ADC הספק-נמוך, רוחב-פס גבוה, עכבת כניסה גבוהה
• חוצץ ייחוס יציב הספק-נמוך
• בלוק ניהול הספק יעיל

איור 1: ADAQ7980 μModule של ADI (מקור: .Analog Devices, Inc)

יישום של שרשראות אותות מדויקות μModule‏

סל המוצרים של שרשראות אותות מדויקות לאיסוף נתונים μModule של ADI תומך במערך רחב של יישומים בתעשיות שונות, ‏כדלהלן:

תקשורת. ה-ADAQ8092‏ הוא‏ μModule איסוף נתונים שני-ערוצים‏, מהירות-גבוהה, Bit‏-14‏, ‎105 MSPS, עבור יישומי איסוף נתונים ודה-מודולטור שונים, כגון מקמ"שים, תחנות בסיס סלולריות ותשתית רשתות. ההתקן כולל אכשור אותות, דוחף ADC,‏ ייחוס מתח ו-ADC‏ במארז יחיד. הפרדת מעגלים דיגיטליים ו-RF מפחיתה ביעילות הפרעות אלקטרומגנטיות המסופקות על ידי מקבילים דיגיטליים של אלקטרוניקת RF רגישה לרעש.

ההתקן יוצר‏ שרשרת אותות שלמה המשלבת את כל הרכיבים האקטיביים ו-iPassives בחתימת-שטח קטנה פי שישה מפתרון בדיד דומה. קבלי הפרדה (decoupling) ספק-כוח מובנים משפרים את ביצועי דחיית ספק הכוח. ה-ADAQ8092 עובד מאספקה אנלוגית של ‎3.3 V עד ‎ 5 Vודיגיטלית של 1.8‎ V.

אוטומציה תעשייתית. ה-ADAQ7768-1‏ הוא ‏μModule איסוף נתונים מדויק ‎24-bit‏ הכולל בלוקים של אכשור אותות, המרה ועיבוד. ההתקן תומך בסוגי כניסות שונים, כולל חיישני IEPE, גשרים התנגדותיים, וכניסות של מתח וזרם עבור יישומי ניטור מבוססי-מצב (CbM) המשתמשים בחיישנים כדי לוודא מגמות, לחזות תקלות, לחשב אורכי חיים של נכסים ולהבטיח בטיחות בני אדם.

משתמשים יכולים להגדיר תצורה של ה-ADAQ7768-1 כך שיעבוד תחת שתי שיטות תצורת-התקן על ידי שינוי תוכן האוגרים דרך הממשק ההיקפי הטורי (SPI) שלו, או בשיטת קשירה פשוטה של פין חומרה. שבע הגדרות הגבר ניתנות-להגדרה על ידי פינים מציעות תחום דינמי נוסף של המערכת וביצועי רעש שרשרת אותות משופרים עם אותות כניסה במשרעת קטנה יותר.

בדיקות רכב. ה-ADAQ23878‏ מתאים עבור Hardware-In-the-Loop‏ (HiL‏)—טכניקת תאום‏ דיגיטלי המשמשת עבור בדיקת מערכות זמן-אמת מורכבות, כגון יחידות בקרה אלקטרוניות (ECUs), מערכות הגה-כוח, מערכות מתלים, מערכות ניהול סוללה או כל תת-מערכת אחרת ברכב. ניתן להשתמש בו, בין השאר, גם עבור ציוד בדיקה אוטומטי ויישומי בדיקת פליטות אקוסטיות לא-הרסניות.

ה-ADAQ23878 משלב בלוקים מרובים של עיבוד ואכשור אותות בהתקן יחיד, כולל FDA‏ רעש נמוך‏, חוצץ ייחוס יציב, ו-‎15 MSPS SAR ADC, ‏‎18-bit, מהירות גבוהה. חתימת-השטח הקטנה שלו, 9 מ"מ ×‏ 9 מ"מ, עם 0.8 מ"מ פסיעה ומארז CSP BGA‏ 100-כדוריות, מאפשרים מכשירים בעלי גורם צורה קומפקטי יותר מבלי להקריב ביצועים. ממשק דיגיטלי טורי לאיתות דיפרנציאלי במתח נמוך (LVDS) עם אופני יציאה של נתיב-אחד או שני-נתיבים מאפשר למשתמשים למטב את קצב נתוני הממשק עבור כל יישום.

סיכום

טרנספורמציה דיגיטלית ואוטומציה מניעות את הביקוש לפתרונות איסוף נתוני שרשרת אותות ממוטבים במיוחד עבור יישומים תובעניים בחשמול, רכב, בריאות דיגיטלית, מכשור, תעשייה חכמה, אנרגיה וקיימות. שרשראות אותות מדויקות μModule של ADI מציעות למתכננים איזון אופטימלי של אינטגרציה וגמישות מבלי להתפשר על ביצועי שרשרת האותות.‏ ביטול רכיבים בדידים רבים מפחית את הסיכון לתכנון מחדש של מערכת, מפשט את מפרט החומרים (BOM) של המערכת, ויכול להביא לקיצור זמן ההגעה לשוק ועלות פיתוח פחותה.