Effektive Symmetrierung von Latenz, Bandbreite und Performance für Prüf-/Messtechnik-Lösungen

Entwickler von Prüf-/Messtechnik-Lösungen wie Automotive-Prüfständen und Hardware-in-the-Loop (HIL)-Subsystemen stehen zunehmend vor der Herausforderung, ein optimales Gleichgewicht zwischen hoher Performance mit geringer Latenz und größerer Bandbreite zu finden. Gleichzeitig müssen sie flexibel und rekonfigurierbar sein, um schnell wechselnde Systemanforderungen zu unterstützen und eine Vielzahl von Anwendungsfällen zu bedienen.

Traditionell erfordert die Erfüllung dieser Anforderungen - bei gleichzeitiger Beibehaltung der präzisen AC/DC Performance bei steigenden Abtastraten - einen erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand für die Entwicklung/Debugging. Dieser Aufwand erhöht sich mit jeder Neuentwicklung, wenn Komponenten ausgetauscht werden, um Platz für Änderungen der Prüfstands- und Instrumentierungsziele zu schaffen.

Eine bessere Alternative ist ein Plattformkonzept, das auf programmierbaren, rekonfigurierbaren und wiederverwendbaren Komponenten basiert. Diese "Anker"-Teile bilden eine Grundlage für die Performance, die für alle Variationen eines Typs von Anwendung oder sogar für mehrere unterschiedliche Anwendungen verwendet und wiederverwendet werden kann.

In diesem Artikel wird der Digital/Analog-Wandler (DAC) AD3552R von Analog Devices als Beispiel dafür vorgestellt, wie programmierbare Komponenten die Ziele von Entwicklern zur Schaffung einer skalierbaren, leicht optimierten, rekonfigurierbaren Signalketten-Plattform erreichen können. Evaluierungsboards und LTspice-Unterstützung werden besprochen, um Entwicklern den Einstieg zu erleichtern. Ebenfalls vorgestellt wird der hochintegrierte Analog/Digital-Wandler ( ADC) ADAQ23878, der zusammen mit dem AD3552R zwei kritische und komplementäre Ankerteile für einen plattformbasierten Ansatz bilden kann.

Integration und Programmierbarkeit vereinfachen die Entwicklung

Da sich die Anforderungen an Testsysteme ändern, werden die traditionellen und oft erfolgreichen Techniken zur Maximierung der Präzision und Minimierung von Fehlern, wenn auch mit zusätzlichen Entwicklungs- und Komponentenkosten, nicht mehr angewendet:

• Auswahl "besserer" Komponenten wie Widerstände mit engerer Toleranz oder niedrigerem Temperaturkoeffizienten, um Unzulänglichkeiten sowohl bei der anfänglichen Performance als auch im Zeit- und Temperaturverlauf zu minimieren.
• Verwendung von Topologien, die die Selbstauslöschung unvermeidlicher Fehler weitgehend unterstützen, wie abgestimmte Widerstände und differenzielle Schaltkreise oder die klassische Wheatstone-Brücke.
• Ermöglicht die anfängliche und fortlaufende Kalibrierung durch den Einsatz einer "goldenen" Komponente, z. B. einer präzisen Spannungsreferenz, mit der alle anderen wichtigen Spannungen verglichen werden können.

Für Entwickler von Testsystemen wird es schwieriger, diese Techniken erfolgreich einzusetzen, wenn die Anwendung hohe Aktualisierungsraten für den ADC und den DAC erfordert.

Um viele dieser Herausforderungen zu vermeiden, bietet ein programmierbarer, plattformbasierter Ansatz eine bessere Option, indem er die Notwendigkeit minimiert oder sogar eliminiert, für das anfängliche Projekt und bei sich ändernden Anforderungen "von Grund auf" zu entwickeln. Dieser Ansatz gewährleistet auch ein einheitliches Mittel zur Bewertung und Simulation einer Entwicklung. Ein entscheidendes Element dieses programmierbaren Ansatzes ist der DAC (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der DAC ist eine Schlüsselfunktion bei Anwendungen in der Test- und Instrumentierungstechnik; seine Fähigkeiten werden mit den steigenden Anforderungen an Testsysteme genau unter die Lupe genommen. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Performance und die tauglichen Eigenschaften von DACs werden zunehmend von Test- und Kontrollanwendungen beansprucht, die sowohl Präzision als auch hohe Geschwindigkeit in einem breiten Bereich erfordern. Außerdem müssen sie flexibel sein und sich leicht umgestalten lassen, ohne eine vollständige oder komplizierte Neuentwicklung und Requalifizierung durchlaufen zu müssen.

Der ADI AD3552R ist ein 16-Bit-SPI-DAC mit 33 Millionen Aktualisierungen pro Sekunde (MUPS) und zwei Ausgängen (Abbildung 2), mit dem sich die Performance-Ziele erreichen lassen. Neben den grundlegenden Performance-Attributen besteht ein weiterer Vorteil des AD3552R darin, dass er sich leicht umkonfigurieren lässt, um neue oder veränderte Projektziele zu erreichen. Diese Rekonfigurierbarkeit beinhaltet die Gewissheit, dass diese Ziele mit einem hohen Maß an Zuversicht erreicht werden und keine neuen und unerwünschten "Überraschungen" auftreten.

Abbildung 2: Der AD3552R ist ein 16-Bit, 33 MUPS, Multi-Span, Dual-Output SPI DAC, der leicht für verschiedene Performance-Attribute rekonfiguriert werden kann. (Bildquelle: Analog Devices)

Der AD3552R ist in einem 5 Millimeter (mm) × 5 mm großen LFCSP-Gehäuse erhältlich und arbeitet mit einer festen 2,5-Volt-Referenz, kann aber per Software für mehrere Ausgangsspannungsbereiche konfiguriert werden. Außerdem wird eine optimale Symmetrierung von Performance, Präzision, Geschwindigkeit und Flexibilität vorbereitet.

Die Komponente enthält drei driftkompensierende Rückkopplungswiderstände zur Unterstützung des externen Transimpedanzverstärkers (TIA), der die Ausgangsspannung skaliert. Versatz- und Verstärkungs-Skalierungsregister ermöglichen die Erzeugung mehrerer Ausgangsbereiche, wie 0 bis 2,5 Volt, 0 bis 5 Volt, 0 bis 10 Volt, -5 bis +5 Volt und -10 bis +10 Volt, sowie maßgefertigte Zwischenbereiche mit voller 16-Bit-Auflösung.

Darüber hinaus kann der AD3552R DAC im Modus Fast" für maximale Geschwindigkeit und kürzeste Einschwingzeit oder im Modus Precision" für höchste Präzision und maximale Genauigkeit betrieben werden, um das bekannte Dilemma zwischen Geschwindigkeit und Präzision" zu lösen. Im schnellen Modus werden die DAC-Daten als 16-Bit-Wort geladen, was zu einer Aktualisierungsrate von 33 MUPS für einen Kanal führt. Im Gegensatz dazu werden die Daten im Präzisionsmodus mit 24 Bit geschrieben, was zu einer Aktualisierungsrate von 22 MUPS für einen Kanal führt.

Für Anwendungen, die eine geringere Rauschdichte und eine schnellere Einschwingzeit erfordern und eine höhere Leistungsaufnahme verkraften können, unterstützt der AD3552R die Kombination der beiden DAC-Kanäle zu einem einzigen Ausgang (Abbildung 3). Beide DACs müssen gleichzeitig mit demselben Code aktualisiert werden, um die gleiche Spannung zu erhalten, die mit einem einzigen DAC ausgegeben wird; der AD3552R bietet mehrere effiziente Möglichkeiten, dies zu tun.

Abbildung 3: Die beiden Ausgänge des AD3552R können kombiniert werden, um die Dichte des Rauschens zu verringern und die Einschwingzeit zu verkürzen. (Bildquelle: Analog Devices)

Auch die SPI-Schnittstelle des Bausteins ist flexibel, da sie in den Modi Single SPI (klassisches SPI), Dual SPI, synchrones Dual SPI und Quad SPI, mit einfacher Datenrate (SDR) oder doppelter Datenrate (DDR) und mit Logikpegeln von 1,2 bis 1,8 Volt konfiguriert werden kann. Da auch die Datenintegrität ein ständiges und zunehmendes Anliegen ist, kann die Komponente für die Integration einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC) vorbereitet werden. Außerdem wurden mehrere Fehlerprüfer integriert, um VREF-Fehler oder eine fehlerhafte Zuordnung des Speichers zu erkennen.

Simulationsmodelle beschleunigen die Konfiguration und schaffen Vertrauen

Obwohl der AD3552R eine Breitband-Präzisionskomponente ist, wird es immer Kompromisse zwischen seinen vielen programmierbaren Parametern geben. Um das Verständnis für die Auswirkungen dieser Design-Optionen zu beschleunigen und den Entwicklern den Einstieg zu erleichtern, wird es durch Evaluierungsboards sowie LTspice zur Bewertung von Rauschen, Transientenanalyse, AC-Simulation und anderen Parametern unterstützt. Dies vereinfacht die Latenz-/Performance-Optimierung, so dass Entwickler keine Werte für Parameter festlegen oder Kompromisse eingehen müssen, ohne glaubwürdige Daten zu haben.

Die Möglichkeit, LTspice in der Signalkette zu verwenden, führt alle Elemente zusammen, so dass der Benutzer die Performance der gesamten Signalkette klar verstehen kann. Dies ist besonders wichtig, da der AD3552R folgende Funktionen bietet:

• Zehn Strombereiche, die sich aus der Kombination von digital konfigurierten Werten für die Verstärkung und Skalierung ergeben.
• Drei Transimpedanz-Verstärkungswerte, die sich aus der Anbindung eines der Rückkopplungswiderstände ergeben.
• Insgesamt 511 digital konfigurierte DC Versatz Werte.

Das sind insgesamt 15.330 Kombinationen, die eindeutig den Rahmen einer "praktischen" Steckplatine oder sogar einer selektiven manuellen Bewertung sprengen.

Das LTspice-Modell für den AD3552R aktualisiert die traditionellen, auf den analogen Ausgang ausgerichteten DAC-Modelle mit einer stärker digital ausgerichteten Simulation. Die Funktionen einiger Register des Modells - insbesondere die der digitalen Verstärkung und des DC/DC Versatzes - können simuliert werden, und das Modell ist auch in der Lage, die dynamische und rauschende Performance mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren. Zu den Leistungscharakteristiken des AD3552R, die von der LTspice Software simuliert werden, gehören

• Simulation des Ausgangsbereichs: Die DC-Durchlaufsimulation ist nützlich, um die Spanne der Ausgangsspannung für eine bestimmte Konfiguration von Parametern zu bestätigen. Sie berücksichtigt auch die Grenzen, die durch den Spielraum (Oberseite des Bereichs) und den Fußraum (Unterseite) des Operationsverstärkers auferlegt werden, so dass eine eventuelle Sättigung des Ausgangssignals leicht zu erkennen ist.
• Abstimmung der Sprungantwort: Die Simulation des Einschwingvorgangs mit einer Schrittwellenform ist nützlich, um den Wert des Kondensators der Rückkopplung und des Ausgangsfilters des TIA einzustellen, um die gewünschte Anstiegszeit, Einschwingzeit und Überschwingung zu erreichen, und sie kann mit einem parametrischen Sweep kombiniert werden, um die optimalen Werte der Teile zu finden. Die Simulation berücksichtigt auch die Treiberfähigkeit des Verstärkers und des DAC, um die Anstiegsrate und die Anstiegszeit des Signals abzuschätzen. (Hinweis: Dieser Wert ist ein Ausgangspunkt, da der Simulationsschaltkreis die parasitären Effekte der Platine zu Board und der Verpackungen der Bauteile nicht berücksichtigt).
• AC-Bandbreiten-Simulation: Die AC-Durchlaufsimulation ist nützlich, um die Werte des Kondensators für die Rückkopplung und des Ausgangsfilters des TIA in Anwendungen mit einem harmonischen Ausgangssignal einzustellen.
• Simulation der Rauschdichte: Dies ermöglicht die Vorhersage der Rauschdichte am Ausgang des DAC und der TIA, sowohl im 1/f-Bereich als auch im Bereich des thermischen Rauschens. Das LTspice-Modell des AD3552R erfasst die Variation der Rauschdichte mit dem Code und berücksichtigt auch die Verstärkung der TIA, die das Rauschen am Ausgang des Strom-DACs hochskaliert.

Weitere Informationen zu LTspice finden Sie unter "Verwendung von LTspice zur Bestimmung der Performance des Rauschens bei der Erfassung vonrauschempfindlichen Instrumentenwährend der Entwicklung".

Üben, testen, mit echter Hardware

Simulationen sind äußerst nützlich und notwendig, aber wie jeder erfahrene Ingenieur weiß, können sie einen Austausch unter realen Bedingungen nicht vollständig ersetzen, vor allem, wenn Faktoren wie parasitäre Elemente außerhalb der Komponente die Performance beeinflussen können. Beim AD3552R wird diese Anforderung durch den EVAL-AD3552RFMCxZ erfüllt, der in zwei Varianten erhältlich ist: der EVAL-AD3552RFMC1Z für höhere Geschwindigkeit und der EVAL-AD3552RFMC2Z für höhere Präzision (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der EVAL-AD3552RFMCxZ (links: Oberseite; rechts: untere Ebene) ist in zwei ähnlichen Versionen erhältlich, von denen die eine für Geschwindigkeit und die andere für Präzision optimiert ist. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Software für die Platine nutzt ADIs "Analysis, Control, Evaluation"-Paket (ACE), eine Desktop-Anwendung, die die Auswertung und Steuerung mehrerer Evaluierungssysteme im gesamten Produktportfolio von ADI ermöglicht. Die Anwendung besteht aus einem gemeinsamen Rahmenwerk und einzelnen komponentenspezifischen Steckern (Plug-ins).

Für den AD3552R verfügt ACE über mehrere Ansichten zur Steuerung verschiedener Aspekte des DACs. Wenn eine Ansicht zum ersten Mal geöffnet wird, wird ein neuer Rastpunkt auf der Oberseite des Hauptfensters erstellt. Das AD3552R-Plug-in erzeugt eine Hierarchie von Ansichten: Platinen-Ansicht, Chip-Ansicht, Speicher-Zuordnungs-Ansicht und eine Analyse-Ansicht, die eine Wellenformgenerator-Ansicht und eine Vektorgenerator-Ansicht kombiniert (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der ACE-Stecker für den AD3552R erzeugt eine Hierarchie von Ansichten, die von einer Systemebene bis hinunter zur Basis-Analyseansicht reicht. (Bildquelle: Analog Devices)

• Die Board-Ansicht zeigt ein vereinfachtes Diagramm des Evaluierungsboards, einschließlich einiger relevanter Steckverbinder und der Verbindungstechnik zwischen den Chips.
• Die Chip-Ansicht zeigt ein vereinfachtes internes Diagramm des Chips mit der Schnittstellen-Logik, den DAC-Kernen, den Präzisions-Rückkopplungswiderständen und den entsprechenden Pins für diese Blöcke.
• Die Ansicht Speicher Map zeigt den gesamten Konfigurationsraum des AD3552R; dieser Raum kann als Liste von Registern oder als Liste von Bitfeldern angezeigt werden.
• In der Ansicht "Signalgenerator" können Sie den Kanälen Vektoren zuweisen und die Erzeugung von Wellenformen starten oder stoppen.
• Die Ansicht Vektorgenerator ermöglicht das Definieren oder Laden von Wellenformen, die später den DAC-Kanälen zugewiesen werden können.

Mit Hilfe des Evaluierungsboards und der ACE-Software können Becher des AD3552R die Entscheidungen, die sie mit dem LTspice-Simulator getroffen haben, bestätigen und bei Bedarf anpassen. Becher mit seinen vielen Registern und programmierbaren Funktionen und Vorrichtungen können auch von den Benutzern genutzt werden.

Erkunden Sie andere Optionen der Datenerfassung

Die Optionen für hoch programmierbare Komponenten, mit denen sich skalierbare, leicht optimierte, rekonfigurierbare Signalketten-Plattformen erstellen lassen, sind nicht auf Komponenten wie den AD3552R beschränkt.

Der ADAQ23878 von Analog Devices ist beispielsweise ein 18-Bit, 15-MS/s-µModule-ADC mit Pin-strapable Lösung. Diese Lösung zur Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung vereinfacht und beschleunigt den Entwicklungszyklus von Präzisionsmesssystemen, indem sie durch den Einsatz einer handelsüblichen Komponente einen Großteil des Entwicklungsaufwands für Komponentenauswahl, -optimierung und -layout eliminiert.

Mit Hilfe der System-in-Package (SIP)-Technologie reduziert der ADAQ23878 die Zählung der Komponenten des Endsystems durch die Kombination mehrerer gemeinsamer Signalverarbeitungs- und -aufbereitungsblöcke in einer einzigen Komponente. Er umfasst einen volldifferenziellen Treiberverstärker für den ADC, einen stabilen Referenzpuffer und einen Hochgeschwindigkeits-ADC (SAR-ADC) mit 18 Bit und 15 MS/s (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der ADAQ23878 vereint Signalverarbeitungs- und -konditionierungsblöcke in einer einzigen Komponente, wodurch der Bedarf an externen Komponenten minimiert wird. (Bildquelle: Analog Devices)

Der ADAQ23878 enthält auch die kritischen passiven Komponenten mit hervorragenden Abstimmungs- und Driftcharakteristiken, die durch den Einsatz der iPassive-Technologie von ADI erreicht werden, die temperaturabhängige Fehlerquellen für eine optimale Performance minimiert. Der kleine Footprint von nur 9 mm × 9 mm mit 0,8 mm Raster und einem 100-Ball CSP BGA-Gehäuse ermöglicht die Freigabe von Instrumenten mit kleinerem Formfaktor ohne Einbußen bei der Performance (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die SIP-Technologie des ADAQ23878 vereint aktive und passive Komponenten in einer einzigen, einfach zu applizierenden Komponente und ermöglicht die Minimierung von driftbedingten Fehlerquellen. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Systemintegration löst viele Herausforderungen bei der Entwicklung, während die Komponente gleichzeitig die Flexibilität einer konfigurierbaren ADC-Treiber-Rückkopplungsschleife bietet, die eine Anpassung der Verstärkung oder Dämpfung sowie eine vollständig differenzielle oder Single-Ended-to-Differential-Eingabe ermöglicht.

Es kann beispielsweise das Herzstück eines kompletten Durchflusszytometers sein (siehe "Schnelle Implementierung von Durchflusszytometer-Designs mit hochpräzisen Datenerfassungsmodulen") oder ein Strommesssystem für einen weiten Bereich mit einer Genauigkeit, Bandbreite und Drift, die mit Benchtop- und Rackmount-Testsystemen für eine Testumgebung in der Produktion vergleichbar ist (Abbildung 8). Gleichzeitig ist die Lösung klein genug, um in Anwendungen integriert zu werden, die kontinuierlich überwacht werden müssen.

Abbildung 8: Mit geeigneten anwendungsspezifischen aktiven und passiven Unterstützungskomponenten fungiert der ADAQ23878 als Kern eines Datenerfassungssystems, das präzise Strommessungen über einen großen Dynamikbereich ermöglicht. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Entwicklung zeichnet sich durch hochgenaue Messungen in drei Bereichen aus, wobei eine Kombination aus Shunt-Widerständen, Onboard-Verstärkern und dem ADAQ23878 μModul verwendet wird. Diese Lösung erhöht die Anzahl der Kanäle pro Platine trotz Größenbeschränkungen und mildert gleichzeitig die thermischen Herausforderungen, verringert die Belastung durch die Systemdrift bei der Kalibrierung aufgrund von Selbsterhitzung und optimiert die gesamte Performance der Präzision. Das Platinen-Layout verwendet Shunt-Widerstände mit vier Anschlüssen und einer integrierten Kelvin-Verbindung, die die Auswirkungen des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) reduziert und eine bessere Temperaturstabilität als bei Shunt-Widerständen mit zwei Anschlüssen bietet (Abbildung 9).

Abbildung 9: Das komplette Strom-Messsystem auf Basis des ADAQ23878 μModuls ist kleiner als die erforderlichen Steckverbinder. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit:

Entwickler von Prüf-/Messtechnik benötigen Präzision, Performance und Flexibilität und müssen gleichzeitig in der Lage sein, das Basisdesign für eine breite Palette von Anwendungsfällen zu rekonfigurieren. Wie gezeigt, verfügen Komponenten wie der AD3552R DAC über zahlreiche programmierbare Funktionen, die eine schnelle und einfache Anpassung an die jeweiligen Anforderungen ermöglichen. Zusammen mit dem ADAQ23878 ADC und unterstützt durch Tools wie LTspice sowie Evaluierungsboards und -software spielt der AD35525 eine Schlüsselrolle in einem plattformbasierten Ansatz für die Entwicklung von Testsystemen, der die erforderliche Flexibilität und Performance bietet und gleichzeitig die für die Rekonfiguration benötigte Zeit minimiert.