Zaawansowane systemy akwizycji danych

Podczas projektowania urządzeń projektanci systemów stają przed licznymi wyzwaniami czasowymi i kosztowymi, takimi jak dobór komponentów i optymalizacja projektu oraz rozwiązują problemy techniczne związane z liniowością konwersji ADC, ochroną wejść przed przepięciami, minimalizacją poboru mocy i podobnymi zagadnieniami. W związku ze zwiększonym naciskiem branżowym na zapewnienie dużej funkcjonalności oprogramowania systemowego, producenci OEM przeznaczają coraz więcej środków na rozwój oprogramowania zamiast na warstwę sprzętową. Powoduje to zwiększoną presję rynku na powstawanie takich rozwiązań hardware, które są gotowe do użycia i pozwalają na zmniejszenie liczby iteracji projektowych.

Projektanci systemów akwizycji danych zwykle wymagają, aby układy te miały dużą impedancję wejściową, po to, aby łatwo można było zapewnić bezpośrednie połączenie układu front end z różnego typu czujnikami. Stąd na ich wejściu pracują zwykle wzmacniacze operacyjne, które pozwalają na działanie przy obecności pasożytniczych napięć wspólnych nakładających się na użyteczne sygnały różnicowe. Typowy taki obwód wejściowy pokazany został na rysunku 2, gdzie napięcie 20 Vpp z wyjścia wzmacniacza pomiarowego jest doprowadzane do nieodwracającego wejścia wzmacniacza różnicowego typu FDA (fully diff erential amplifier). FDA zapewnia niezbędne kondycjonowanie sygnału, w tym korekcję offsetu, tłumienie sygnału i ustawianie zakresu wyjścia różnicowego między 0 a 5 V. Napięcie sygnału wspólnego wynosi tu 2,5 V, aby zmaksymalizować wykorzystywany zakres dynamiki przetwornika ADC. Wzmacniacz wejściowy jest zasilany napięciem symetrycznym ±15 V, podczas gdy FDA napięciami +5 V/–1 V. Natomiast przetwornik ADC jest zasilany napięciem 5 V. Wymagane wzmocnienie 0,5 ustala stosunek rezystancji RF i RG w torze sprzężenia zwrotnego (RF1 = RF2 oraz RG1 = RG2). Razem z sygnałem użytecznym wzmacniany jest też szum własny FDA. Jego wzmocnienie (NG, noise gain) definiuje się jako:

gdzie β1 i β2 to rezystancje w torze sprzężenia zwrotnego:

Oczywiste jest, że w rzeczywistości nie da się zapewnić warunku β1 ≠ β2 oraz identycznych rezystancji w torze sprzężenia zwrotnego (RG1= RG2, RF1= RF2). Wzmacniacz też nie jest idealny i charakteryzują go parametry takie jak SNR, zniekształcenia, liniowość, błąd wzmocnienia, dryft i współczynnik tłumienia wejściowych sygnałów wspólnych (CMRR). Różnicowe napięcie wyjściowe FDA zależy od napięcia VCM, więc gdy współczynniki sprzężenia zwrotnego β1 i β2 nie są równe wytwarza to nierównowagę i prowadzi do tego, że w amplitudzie lub fazie różnicowych sygnałów wyjściowych powstaje niepożądana składowa wspólna. Jest ona wzmacniana przez wartość współczynnika NG i wywołuje niepożądany dalszy wzrost szumu na wyjściu i offset ekstra. Dlatego konieczne jest, aby stosunek rezystorów ustalających wzmocnienie był precyzyjnie ustalony. W praktyce jednym ze sposobów zrównoważenia układu z rysunku 2 jest dodanie na zewnątrz układu scalonego realizującego tę funkcję zewnętrznego rezystora korekcyjnego połączonego szeregowo z RG1 o małym współczynniku temperaturowym.

 

Rys. 1. Schemat blokowy systemu akwizycji danych

Nietrudno dostrzec, że zaprezentowany układ wymaga skomplikowanego zasilania, co jest niewygodne ze względu na dodatkowe koszty i ograniczenia dotyczące zajętości miejsca na PCB. Do tego jeszcze trzeba dodać filtr dolnoprzepustowy RC (antyaliasingowy), który trzeba umieścić na wejściach ADC, a także kondensatory odsprzęgające dla źródła napięcia odniesienia. Filtr RC pomaga ograniczyć szum oraz oscylacje pojawiające się na zboczach sygnałów pochodzące z pojemności wejściowych przetwornika. Elementy te powinny być dobrane tak, aby zapewnić stabilność działania wzmacniacza w całym paśmie i ograniczyć jego maksymalny prąd wyjściowy do wartości bezpiecznej. Ponadto projekt mozaiki na PCB jest też istotny dla zachowania integralności sygnału i osiągnięcia oczekiwanej wydajności układu akwizycji.

 

Rys. 2. Uproszczony schemat typowego układu akwizycji danych

Wsparcie dla klientów

 

Rys. 3. Rozwiązanie dyskretne układu akwizycji danych w porównaniu do wersji z ADAQ4003 μModul

Układ akwizycji danych nie ma jednego uniwersalnego charakteru i projektanci stosują różne rozwiązania układowe. Dlatego firma Analog Devices (ADI) skupiła swoją ofertę na komponentach obsługujących typowe bloki przetwarzania sygnału, kondycjonowania i cyfryzacji, które są dostępne w ramach rodziny produktowej μModule. Rozwiązania te wypełniają lukę między układami bazującymi na komponentach dyskretnych i specjalizowanymi układami scalonymi tworzonymi na zamówienie.

ADAQ4003 to układ typu SiP (System In Package), który zapewnia najlepszy stosunek między kosztem prac rozwojowych, zajmowanym miejscem na PCB i czasem projektowania.

Zawiera on wiele typowych bloków przetwarzania i kondycjonowania sygnału, w tym wzmacniacz FDA, a także ma zintegrowane krytyczne elementy pasywne (rys. 5). Zapewnia mały poziom szumów, stabilne źródło napięcia odniesienia i jest w nim 18-bitowy przetwornik ADC typu SAR o szybkości próbkowania 2 MSps.

 

Rys. 4. Wzmacniacz PGA LTC6373 w układzie z ADAQ4003 (wzmocnienie = 0,454, próbkowanie 2 MSPS)

ADAQ4003 upraszcza projekt systemu pomiarowego i rozwiązuje wszystkie główne problemy omówione wcześniej. Rezystory współpracujące z FDA wykonane zostały w technologii iPassives firmy ADI, która zapewnia dobre sparowanie, małe reaktancje pasożytnicze i w praktyce pozwala osiągnąć wzmocnienie ustalone z tolerancją 0,005% przy dryfcie temperaturowym jedynie 1 ppm/°C. Małe rozmiary takich rezystorów pozwalają na integrację w ramach SoC wraz z realizacją predefiniowanych wartości wzmocnienia dla typowych wartości (0,45, 0,52, 0,9, 1 lub 1,9) oraz dają możliwość wyboru trybu pracy (różnicowy, niesymetryczny).

ADAQ4003 zawiera ponadto filtr RC między driverem a ADC (jednobiegunowy), który umożliwia optymalizację czasu ustalania i szerokości pasma sygnału wejściowego dla uniknięcia aliasingu, a także kondensatory odsprzęgające dla źródła napięcia odniesienia oraz te wymaganie do działania bloku zasilania. Jest też źródło napięcia odniesienia współpracujące z wtórnikiem napięciowym obniżającym jego wartość dynamiczną impedancji, co zapewnia dużą szybkość działania przetwornika SAR ADC. Kondensator 10 μF dołączony do pinu REF także poprawia wydajność przetwarzania analogowo-cyfrowego. Bufor (wtórnik) napięcia odniesienia umożliwia ponadto współpracę ADAQ4003 z dowolnym źródłem, bo nie ma w tym przypadku żadnych obostrzeń na małą impedancję tego elementu, przez co rozwiązania o małej mocy trzeba z góry odrzucić. Ponadto można dobrać wartość napięcia referencyjnego do aplikacji po to, aby zapewnić możliwie najszerszy zakres konwersji analogowo-cyfrowej.

 

Rys. 5. SNR ws. wzmocnienie LTC6373 dla różnych pasm przenoszenia

 

Rys. 6. THD a wzmocnienie LTC6373

Układ umieszczono w obudowie BGA 7×7 mm, dzięki czemu cała realizacja zajmuje mniej więcej 4-krotnie mniej miejsca w porównaniu z tradycyjnym rozwiązaniem dyskretnym (jak pokazano na rys. 3).

Trzeba pamiętać, że projekt mozaiki płytki drukowanej ma kluczowe znaczenie dla zachowania integralności sygnału i osiągnięcia oczekiwanej wydajności takiego systemu akwizycji. Układ pinów w obudowie ADAQ4003 ułatwia realizację takiego projektu: sygnały analogowe są po jej lewej stronie, a sygnały cyfrowe po prawej. Pozwala to na oddzielenie wrażliwych obwodów analogowych od linii cyfrowych oraz uniknięcie krzyżowania się sygnałów cyfrowych i analogowych w poszczególnych warstwach PCB. Ponieważ ADAQ4003 ma zintegrowane ceramiczne kondensatory odsprzęgające o małej wartości ESR i ESL (dla pinów REF VS+, VS–, VDD i VIO), została zapewniona krótka ścieżka o niskiej impedancji do masy dla sygnałów w.cz. Stąd nie są wymagane żadne zewnętrzne kondensatory odsprzęgające oraz przy zachowaniu elementarnej staranności projektu nie ma problemów z EMI. Wystarczy symetrycznie prowadzić sygnały wejściowe i wyjściowe przy jednoczesnym utrzymywaniu linii zasilających z dala od nich, najlepiej na oddzielnej warstwie zasilania po to, aby impedancja połączeń była jak najmniejsza.

Sterowanie ADAQ4003 przy użyciu PGIA

Jak wspomniano wcześniej, w wielu przypadkach układ akwizycji danych współpracuje z sensorami o wysokiej impedancji. W typowych rozwiązaniach czujniki takie połączone są wprawdzie ze wzmacniaczem o programowalnym wzmocnieniu (PGIA), ale on z kolei ma wyjścia niesymetryczne (single-ended), które nie mogą bezpośrednio sterować symetrycznym torem wejściowym układu akwizycji danych. Wyjątkiem jest LTC6373. Ten PGIA ma różnicowe wyjścia, gwarantuje małe szumy i zniekształcenia, co pozwala bezpośrednio sterować z niego ADAQ4003. LTC6373 ma programowalne wzmocnienie (przy użyciu pinów A2, A1 i A0) – rysunek 4.

LTC6373 w trybie pracy różnicowej od wejścia do wyjścia wymaga symetrycznego zasilania (±15 V). Może być też używany w konfiguracji z wejściem niesymetrycznym a wyjściem różnicowym. W układzie z rysunku 5 wzmocnienie ustawiono na 0,454. Podłączony do masy pin VOCM ustawia poziom odniesienia, a napięcie wyjściowe zawiera się w przedziale od –5,5 V do +5,5 V. FDA w ADAQ4003 zapewnia dalsze dopasowanie amplitudy niezbędne do wykorzystania maksymalnego zakresu dynamicznego ADC zawartego wewnątrz ADAQ4003. Rysunki 5 i 6 przedstawiają wartości SNR i THD przy różnych ustawieniach wzmocnienia LTC6373 dla tej realizacji.

ATE – aplikacja przykładowa

Układ ADAQ4003 doskonale nadaje się do pracy w urządzeniach SMU (czteroćwiartkowych źródłach zasilających typu sink/source zintegrowanych z multimetrem) i zasilaczach dla systemów testujących typu ATE. Taka aparatura pracuje najczęściej na stanowiskach testowania produkcji jako zasilacz i obciążenie jednocześnie. Zapewnienie działania w czterech ćwiartkach (tj. dostarczanie energii lub jej odbieranie przy dowolnej kombinacji plusa i minusa na przewodach wyjściowych bez przełączania obwodów i kabli) wymaga realizacji pętli sterującej dla każdego kanału, który realizuje programowaną regulację napięcia i prądu z dużą dokładnością i liniowością. W SMU liczy się też szybkość ustawiania parametrów, szeroki zakres dynamiki, aby jednostki te nadawały się do pomiarów μA i A, μV i V bez zmiany zakresów pomiarowych.

18-bitowa rozdzielczość przetwornika w ADAQ4003 w połączeniu z jego dużą częstotliwością próbkowania daje takie możliwości, zapewniając też szybką odpowiedź zasilacza na zmianę ustawień, a więc wydajność testów. Mały dryft i starzenie się gwarantują dużą dokładność przyrządu testowego, a także mniejsze koszty kalibracji. Schemat blokowy sterowania w zasilaczu SMU przedstawiono na rysunku 7.

 

Rys. 7. Uproszczony schemat blokowy jednostki sterującej zasilacza czteroćwiartkowego SMU

 

Rys. 8. Zakres dynamiczny ADAQ4003 w zależności od wybranego
nadpróbkowania (OSR)

Duża szybkość próbkowania przetwornika ADC umożliwia ADAQ4003 realizację nadpróbkowania i dalszą poprawę rozdzielczości, a więc możliwość detekcji sygnałów o małej i dużej amplitudzie w szerokim paśmie. Zgodnie z teorią sygnałów nadpróbkowanie razy cztery zapewnia jeden dodatkowy bit rozdzielczości. Czyli zamiast dokonywać pomiaru 1 raz w danym przedziale czasu, dokonujemy czterech kolejnych pomiarów, otrzymane wyniki sumujemy, a następnie dzielimy przez 2 (poprzez rotację bitów bez przeniesienia w prawo). Nadpróbkowanie jest możliwe tylko dlatego, że ADAQ4003 zapewnia wystarczającą liniowość konwersji, a więc zmiany stanów na wyjściu przy stałym napięciu na wejściu wywołane są głownie przez szum, a nie nieidealną charakterystykę konwersji. Jest ponadto szybki, czyli można dokonać wielu pomiarów zamiast jednego w tym samym czasie.

Typowy zakres dynamiki wynosi 100 dB przy próbkowaniu 2 MSPS dla napięcia odniesienia 5 V i wejściach zwartych do masy. Dlatego też przy dużym nadpróbkowaniu, tj. o współczynnik aż ×1024 i przy efektywnej szybkości transmisji danych 1,953 kSps, układ może zapewnić niezrównany zakres dynamiki ok. 130 dB (przy wzmocnieniu 0,454 i 0,9), który pozwoli wykrywać sygnały o bardzo małej amplitudzie, rzędu μV. Rysunek 8 przedstawia zakres dynamiczny i SNR ADAQ4003 dla różnych częstotliwości nadpróbkowania i częstotliwości wejściowych 1 kHz i 10 kHz.

Maithil Pachchigar System Applications Engineer Analog Devices

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com