Wie bei der Entwicklung von Präzisionsdatenerfassungssystemen Platz und Zeit gespart werden kann

Die Entwickler von Systemen für die industrielle Automatisierung und das Gesundheitswesen setzen zunehmend hochentwickelte Sensor-, Detektions- sowie Bild- und Videoaufnahmetechnologien zur Digitalisierung und Analyse ein. Die Analyse ist jedoch nur so gut wie die Eingangsdaten, deren Erfassung extrem leistungsfähige, hochdynamische sowie präzise und stabile Signalaufbereitungs- und -wandlungsblöcke voraussetzt. Die Entwicklung dieser Blöcke mit diskreten Schaltkreisen erfordert beträchtliche Design-Ressourcen, Platinenfläche und Zeit, die alle zu den Gesamtkosten beitragen.

Gleichzeitig müssen Entwickler sicherstellen, dass ihre Endsysteme wettbewerbsfähig bleiben, was bedeutet, dass sie die Kosten und die Markteinführungszeit so weit wie möglich senken und gleichzeitig eine hervorragende Performance gewährleisten müssen.

Dieser Artikel beschreibt kurz ein typisches Datenerfassungssystem und seine Kernelemente. Anschließend wird ein Datenerfassungsmodul der Analog Devices Inc. vorgestellt, das viele dieser kritischen Elemente enthält und eine stabile Performance von 18 Bit und 2 Megasamples pro Sekunde (MS/s) bietet. Ein Evaluierungsboard wird ebenfalls vorgestellt, das Entwicklern hilft, sich mit dem Modul und seiner Verwendung vertraut zu machen.

Elemente eines Datenerfassungssystems

Ein typisches Datenerfassungssystem ist in Abbildung 1 dargestellt. Das zu überwachende Signal wird von einem Sensor erfasst, der als Reaktion auf bestimmte physikalische Phänomene ein elektrisches Signal ausgibt. Die Ausgänge des Sensors können referenzbezogen oder differenziell sein und erfordern unter Umständen eine Signalaufbereitung wie z. B. eine Filterung. Um den größtmöglichen Dynamikbereich des Analog/Digital-Wandlers (A/D-Wandlers) zu erreichen, muss das Signal so verstärkt werden, dass es dem Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers entspricht. Die Verstärkung und der Versatz des Verstärkers werden in der Regel durch Präzisionswiderstände gesteuert, die im Hinblick auf Dynamik und Temperaturdrift sorgfältig abgestimmt werden müssen. Die Abhängigkeit von der Temperatur erfordert in der Regel, dass sich die Komponenten in unmittelbarer räumlicher Nähe befinden. Zu den dynamischen Bedingungen gehören Rausch- und Verzerrungspegel, die minimiert werden müssen.

Abbildung 1: Ein typisches Datenerfassungssystem erfasst Daten von einem Sensor, konditioniert sie, optimiert die an den A/D-Wandler angelegte Signalamplitude und übermittelt die digitalen Daten an den Systemprozessor. (Bildquelle: Analog Devices)

Der SAR-A/D-Wandler (SAR: sukzessive Approximationsregister) muss über einen ausreichend großen Dynamikbereich verfügen, der durch die Anzahl der Bits der Auflösung angegeben wird. Benötigt wird auch eine gepufferte, stabile und saubere Spannungsreferenz.

Schließlich müssen die erfassten Daten über eine Kommunikationsschnittstelle zugänglich sein. Die Implementierung eines solchen Datenerfassungssystems mit diskreten Komponenten benötigt mehr Platz und führt oft zu einer wesentlich schlechteren Performance als bei einem integrierten Gerät. Ein Beispiel: Die Leistungsanforderungen an einen Differenzverstärker zur Ansteuerung eines A/D-Wandlers sehen vor, dass die Eingangs- und Rückkopplungswiderstände an beiden Beinen des Verstärkereingangs eng aufeinander abgestimmt sein müssen, da jedes Ungleichgewicht das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis verringert. Ebenso müssen die Eingangswiderstände genau auf die Rückkopplungswiderstände abgestimmt sein, um die Verstärkung der Stufe einzustellen. Diese Widerstände müssen sich auch über die Temperatur hinweg präzise verhalten, weshalb sie nahe beieinander angeordnet sein müssen. Darüber hinaus ist das Gesamtlayout des Schaltkreises entscheidend für die Wahrung der Signalintegrität und die Minimierung parasitärer Reaktionen.

Integriertes Datenerfassungsmodul spart Zeit und Platz

Um die Performance-Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig Größe und Entwicklungszeit zu reduzieren, können Entwickler das µModule-System-in-Package (SIP) ADAQ4003BBCZ von Analog Devices als Alternative zu diskreten Implementierungen verwenden (Abbildung 2). Im Fokus des 7 x 7 Millimeter (mm) messenden ADAQ4003 steht die Integration der gängigsten Teile einer Signalkette, einschließlich Signalaufbereitung und Digitalisierung, um eine umfassendere Signalkettenlösung mit erweiterter Performance zu bieten. Damit schließt es die Lücke zwischen diskreten Standard-Komponenten und hochintegrierten kundenspezifischen ICs als Lösung für die Datenerfassung.

Abbildung 2: Schnittdarstellung eines µModule-SIP, das mehrere gängige Signalverarbeitungsblöcke in einer einzigen Komponente mit einer Seitenlänge von nur 7 mm kombiniert. (Bildquelle: Analog Devices)

Das ADAQ4003 kombiniert einen hochauflösenden 18-Bit-SAR-A/D-Wandler mit bis zu 2 MS/s, einen rauscharmen, vollständig differenziellen Verstärker zur Ansteuerung des A/D-Wandlers, einen stabilen Spannungsreferenzpuffer und alle erforderlichen kritischen passiven Bauteile. Das kleine 49-polige BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) erfüllt die Anforderungen in puncto Kompaktheit.

Das ADAQ4003 benötigt im Vergleich zu einem diskreten Layout weniger als ein Viertel der Platinenfläche, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Das ADAQ4003 (links) ohne Abdeckung benötigt im Vergleich zu einem identischen Schaltkreis mit diskreten Komponenten weniger als ein Viertel der Fläche. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Vorteile des µModuls gegenüber der diskreten Implementierung sind vielfältig: kleinerer Footprint, die Komponenten liegen räumlich nahe beieinander, um eine höhere Präzision über Temperatur zu ermöglichen, sowie geringere parasitäre Effekte aufgrund von Anschlussinduktivität und Streukapazität.

Das Funktionsblockdiagramm des ADAQ4033 zeigt die vier Hauptkomponenten, die in jedem Datenerfassungssystem zu finden sind (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Funktionsblockdiagramm des ADAQ4003 zeigt, wie viel es in seinem 7 x 7 mm messenden 49-poligen BGA-Gehäuse unterbringt. (Bildquelle: Analog Devices)

Trotz seiner geringen physischen Größe enthält das ADAQ4003 die kritischen passiven Komponenten, indem es die iPassives-Technologie von Analog Devices nutzt. Integrierte passive Komponenten werden auf Substraten hergestellt, auf denen mehrere passive Netzwerke gleichzeitig produziert werden. Der Fertigungsprozess bringt äußerst präzise Komponenten hervor. Beispielsweise sind die Komponenten des Widerstandsarrays mit einer Genauigkeit von 0,005 % aufeinander abgestimmt. Benachbarte Komponenten, die sehr eng beieinander liegen, sind im Anfangswert gut aufeinander abgestimmt, sicherlich viel besser als diskrete passive Komponenten. Weil die Bauelemente auf einem gemeinsamen Substrat implementiert sind, werden ihre Werte aufgrund der integrierten Bauteilstruktur auch eine höhere Präzision über Temperatur, mechanische Beanspruchung und Lebensdauer aufweisen.

Wie bereits erwähnt, kann der 18-Bit-SAR-A/D-Wandler mit bis zu 2 MS/s getaktet werden und arbeitet dabei ohne Codeauslassungen. Der präzise Wert und die Abstimmung der passiven Komponenten sorgen für eine hervorragende Performance des A/D-Wandlers. Er bietet einen typischen Rauschabstand und Klirrfaktor von 99 Dezibel (dB) bei einer Verstärkungseinstellung von 0,454. Seine integrierte Nichtlinearität beträgt typischerweise 3 Teile pro Million (ppm). Das Eingangswiderstandsarray kann mit Pinbrücken versehen werden und ermöglicht so Verstärkungseinstellungen von 0,454, 0,909, 1,0 oder 1,9, um den Eingang auf den Gesamtbereich des A/D-Wandlers abzustimmen und so seinen Dynamikbereich zu maximieren. Die Abstimmung der kritischen Komponenten ergibt eine Verstärkungsfehlerdrift von ± 0,5 ppm/C° und eine Offsetdrift von 0,7 ppm/C° im Bereich einer Verstärkung von 0,454.

Dem A/D-Wandlerblock vorgeschaltet ist sein vollständig differenzieller Treiber mit einem Gleichtaktunterdrückungsverhältnis von 90 dB in allen Verstärkungsbereichen bei differenzieller Konfiguration. Der Verstärker verfügt über einen sehr breiten Gleichtakt-Eingangsbereich, der von spezifischen Schaltkreiskonfigurationen und Verstärkungseinstellungen abhängt. Der Treiber kann als Differenzverstärker eingesetzt werden, aber auch asymmetrische Eingänge in differenzielle Eingänge umwandeln.

Zwischen dem Treiber und dem A/D-Wandler befindet sich ein einpoliger RC-Filter, der mit Hilfe interner Komponenten differenziell implementiert wurde. Dadurch sollen das Rauschen an den Eingängen des A/D-Wandlers begrenzt und die Auswirkungen von Spannungsrückschlägen reduziert werden, die vom kapazitiven Digital/Analog-Wandlereingang eines SAR-A/D-Wandlers ausgehen.

Das ADAQ4003 verfügt außerdem über einen Referenzpuffer, der mit einer Einheitsverstärkung konfiguriert ist, um die dynamische Eingangsimpedanz des Referenzknotens für den SAR-A/D-Wandler optimal zu steuern. Alle erforderlichen Entkopplungskondensatoren für den Referenzspannungsknoten und die Spannungsversorgungen sind ebenfalls enthalten. Diese Entkopplungskondensatoren verfügen über einen niedrigen Serienersatzwiderstand und eine niedrige äquivalente Serieninduktivität. Die Tatsache, dass es sich um interne Komponenten des ADAQ4003 handelt, vereinfacht die Materialzusammenstellung weiter.

Die digitale Schnittstelle des ADAQ4003 nutzt eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI), die mit DSP, MICROWIRE und QSPI kompatibel ist. Bei Verwendung einer separaten VIO-Versorgung eignet sich die Ausgangsschnittstelle für eine 1,8-Volt-, 2,5-Volt-, 3-Volt- oder 5-Volt-Logik.

Das ADAQ4003 erlaubt den Betrieb mit einer niedrigen Gesamtverlustleistung – nur 51,5 Milliwatt (mW) bei der maximalen Taktrate von 2 MS/s, die bei niedrigeren Taktraten weiter sinkt.

Das physische Layout des ADAQ4003 unterstützt Entwickler bei der Aufrechterhaltung der Signalintegrität und Performance durch die Trennung der analogen und digitalen Signale. Die Pinbelegung weist analoge Signale auf der linken Seite und digitale Signale auf der rechten Seite auf, so dass Entwickler empfindliche analoge und digitale Abschnitte isolieren können, um Überschneidungen zu minimieren.

Schaltkreismodelle

Analog Devices stellt Simulationsmodelle zur Verfügung und bietet ein Modell für das ADAQ4003 in seinem kostenlosen LTspice-Simulator an. Außerdem ist ein IBIS-Modell für andere kommerzielle Schaltkreissimulatoren verfügbar.

LTspice enthält einen grundlegenden Referenzschaltkreis mit dem ADAQ4003, der in Abbildung 5 dargestellt ist. Die Komponente nutzt eine differenzielle Eingangskonfiguration, und die Eingangswiderstände sind mit Pinbrücken versehen, um die Verstärkung des Treibers auf 0,454 einzustellen, indem die 1- und 1,1-Kilohm-(kΩ)-Eingangswiderstände in Reihe geschaltet werden. Die Referenzspannung des Modells ist auf 5 Volt eingestellt, und der Wandlungstakt beträgt 2 MS/s.

Abbildung 5: ADI stellt LTspice-Simulationsmodelle für das ADAQ4003 mit einer differenziellen Eingabekonfiguration zur Verfügung. (Bildquelle: Art Pini)

Das LTspice-Modell bietet ein Ausgangspunkt für jede Entwicklung, die mit einem Evaluierungsboard weiter verifiziert werden kann.

Evaluierungsboards

Bei Interesse kann das ADAQ4003 mit dem Evaluierungsboard EVAL-ADAQ4003FMCZ auf Herz und Nieren geprüft werden. Dieses Set aus mehreren Platinen umfasst das Evaluierungsboard und eine FPA-Mezzanine-Karte. Diese können mit der Systemdemonstrationsplattform EVAL-SDP-CH1Z von Analog Devices kombiniert werden. Zudem liefert ADI die Demosoftware Analysis/Control/Evaluation (ACE) mit produktspezifischen Plug-ins, die es dem Benutzer ermöglichen, detaillierte Produkttests durchzuführen, einschließlich Oberwellenanalyse und Messungen der integralen und differenziellen Nichtlinearität.

Fazit

Für Entwickler, die mit der Aufgabe betraut sind, schnell leistungsstarke Datenerfassungssysteme zu erstellen und dabei Größe und Kosten auf ein Minimum zu beschränken, ist das µModule ADAQ4003 eine gute Option. Es verkürzt den Entwicklungszyklus eines Präzisionsmesssystems, indem es die Herausforderungen des Signalkettendesigns bei der Auswahl, der Optimierung und dem Layout diskreter Komponenten beseitigt. Das ADAQ4003 vereinfacht den Entwicklungsprozess weiter, indem es eine einzelne Komponente mit einer optimierten, platzsparenden Lösung für die Datenerfassung als Grundlage für eine maßgefertigte Entwicklung bietet.