Simplifier la conception de l'acquisition de données de chaînes de signaux avec des solutions standardisées et personnalisables

Les chaînes de signaux font partie intégrante de nombreux systèmes électroniques pour les communications, les dispositifs biomédicaux, l'automatisation industrielle, les instruments, les capteurs et de nombreuses autres applications. Les architectes de systèmes et les concepteurs de matériel sont confrontés à de nombreux défis logistiques et techniques pour trouver un juste équilibre entre les exigences spécifiques et la nécessité de réduire l'empreinte, de minimiser les itérations de conception et d'accélérer la commercialisation. Ces défis plaident en faveur de solutions plus standardisées et intégrées, pouvant néanmoins être largement personnalisées pour répondre aux besoins des applications.

Les chaînes de signaux incluent généralement des composants analogiques et numériques, tels que des convertisseurs analogique-numérique (CAN), des amplificateurs opérationnels, des isolateurs numériques et des composants spécifiques à l'application. Les ingénieurs et les concepteurs de produits cherchant à créer des solutions optimales doivent faire face à de multiples compromis lors de la sélection des composants, notamment en termes de bruit, de consommation énergétique, de bande passante et de coût.

De nombreux concepteurs créent des chaînes de signaux d'acquisition de données pour des applications telles que les équipements de test automatisés, l'aéronautique, l'automatisation des machines, et dans les systèmes de santé, de surveillance, de diagnostic et d'imagerie. Les tendances matérielles favorisent des performances de conversion de données de précision avancées et une robustesse accrue pour les conceptions complexes, mettant souvent l'accent sur les limitations thermiques et de densité des cartes à circuit imprimé.

L'obtention d'un débit plus élevé, la réduction de la puissance du système, et la protection et la commande des entrées CAN peuvent entraîner des conflits de conception par rapport à l'utilisation de circuits intégrés personnalisés hautement intégrés ou de composants discrets standard plus économiques. Les deux approches font grimper les coûts de recherche et de développement pour la conception de blocs de chaînes de signaux de précision hautes performances pour les applications finales. L'approche personnalisée spécifique au client est généralement plus coûteuse, mais les dispositifs discrets sont susceptibles de voir leurs performances se dégrader en fonction de la température de fonctionnement et de la durée de vie du circuit.

Analog Devices, Inc. (ADI) répond aux principaux problèmes de conception de chaînes de signaux d'acquisition de données en tirant parti de l'intégration hétérogène via la technologie de système en boîtier (SiP) pour atteindre une densité plus élevée, des fonctionnalités accrues, des performances améliorées et une durée moyenne de fonctionnement avant défaillance plus longue. Les solutions μModule® de chaînes de signaux de précision d'ADI offrent une solution compacte, personnalisable et intégrée qui simplifie la conception, améliore les performances et accélère le temps de développement.

Améliorer la densité sans compromettre les performances

L'un des objectifs clés des chaînes de signaux de précision avancées est d'améliorer la densité de la chaîne de signaux sans impact négatif sur les performances, tandis que les concepteurs tentent d'intégrer davantage de canaux dans le même facteur de forme ou d'adopter une approche CAN-par-canal.

Les chaînes de signaux d'acquisition de données doivent souvent interfacer avec plusieurs capteurs ayant différents signaux d'entrée et tensions de mode commun. Les problèmes courants incluent un déséquilibre du circuit ou une désadaptation des résistances de contre-réaction et de gain pouvant entraîner un rapport signal/bruit (SNR), une distorsion, une erreur de gain et des taux de réjection d'entrée indésirables.

Les solutions μModule de chaînes de signaux de précision d'ADI intègrent plusieurs composants analogiques et numériques dans un seul module, utilisant la technologie de composants passifs intégrés — iPassives — de l'entreprise avec les SiP et les circuits intégrés de mise en forme des signaux d'ADI. ADI a développé les composants iPassives il y a plusieurs années pour surmonter les limitations et complexités passées liées à l'adoption de composants passifs discrets fabriqués séparément et connectés sur un circuit imprimé. Les développeurs disposent ainsi d'un outil de conception flexible pour créer des solutions système robustes avec des performances de pointe et de courts cycles de développement.

Avec les solutions μModule, les concepteurs peuvent créer ce qui semble être un seul dispositif pour fournir des fonctionnalités qui nécessitaient auparavant plusieurs composants discrets dans les solutions niveau carte. Cette approche élimine les problèmes de désadaptation et permet des empreintes plus compactes.

Commercialisation plus rapide

Les concepteurs de systèmes peuvent atteindre des niveaux d'intégration plus élevés et des délais de commercialisation plus rapides tout en garantissant des performances de vitesse améliorées et une consommation d'énergie réduite à un prix abordable. L'approche μModule permet d'obtenir des solutions complètes conditionnées dans des empreintes efficaces en termes d'espace, et d'optimiser les performances et la fiabilité de la chaîne de signaux.

Les solutions μModule de chaîne de signaux de précision d'ADI visent à améliorer la densité dans un facteur de forme plus petit en combinant des dispositifs de premier ordre et des processus d'assemblage 2.5D/3D avancés tout en maintenant une gestion intelligente et efficace des composants du système. La combinaison de fonctions telles que l'amplification, le filtrage et le CAN dans un seul module élimine le besoin de concevoir une solution de chaîne de signaux d'acquisition de données complexe avec des composants individuels. Cette approche réduit considérablement les parasites d'interconnectivité tels que l'inductance, la capacité et la résistance.

Avec des cœurs prédéfinis, fabriqués, caractérisés et testés, les µModules de chaîne de signaux de précision d'ADI peuvent réduire considérablement le temps de conception. Ils sont également fournis avec des chaînes de signaux préconfigurées et des ressources de support ADI, notamment des cartes d'évaluation et des kits de développement logiciel.

Les concepteurs peuvent adapter les paramètres et les caractéristiques de la chaîne de signaux aux exigences spécifiques de l'application grâce à un partitionnement intelligent des composants. Le gain ajustable, la bande passante, le filtrage et d'autres options personnalisables résultent en une plateforme polyvalente répondant à divers défis de conception.

Au lieu de batailler avec une implémentation complexe au niveau des circuits, grâce aux μModules, les concepteurs de systèmes peuvent se concentrer sur la conception et les fonctionnalités au niveau du système, ce qui accélère le prototypage, la validation système et la commercialisation pour des applications innovantes en favorisant une planification plus agressive des processus, de la définition du système à la livraison des composants.

Les composants passifs qui ont un impact sur les performances et le rendement pendant la fabrication sont intégrés dans le dispositif μModule, ce qui entraîne une réduction des coûts secondaires, tels que le prélèvement et le placement des assemblages, les pertes de rendement des circuits imprimés du système, la prise en charge des retours sur site et l'étalonnage de la chaîne de signaux. L'intégration de composants passifs dans le substrat du circuit imprimé réduit les sources d'erreurs liées à la température tout en minimisant le nombre de composants discrets et d'interconnexions sur un circuit imprimé, ce qui, au final, réduit les joints de soudure et améliore la fiabilité.

Les µModules ADAQ7980 (Figure 1) et ADAQ7988 d'ADI sont des systèmes d'acquisition de données CAN 16 bits qui intègrent quatre blocs de mise en forme et de traitement des signaux dans un boîtier LGA de 5 mm x 4 mm. Ces systèmes prennent en charge diverses applications, notamment les équipements de test automatisés, les instruments alimentés par batterie, les communications, le contrôle de processus et les instruments médicaux. Les dispositifs intègrent les composants passifs les plus critiques, éliminant ainsi de nombreux défis de conception associés aux chaînes de signaux traditionnelles qui utilisent des CAN à registre d'approximations successives (SAR). En outre, plusieurs dispositifs peuvent être connectés en chaîne sur un seul bus à 3 fils avec une interface périphérique série (SPI) compatible. Tous les composants actifs dans le SiP sont conçus par ADI, y compris :

• CAN SAR 16 bits haute précision et basse consommation
• Circuit d'attaque CAN à large bande passante, haute impédance d'entrée et basse consommation
• Tampon de référence stable basse consommation
• Un bloc de gestion de l'alimentation efficace

Figure 1 : µModule ADAQ7980 d'ADI. (Source : Analog Devices, Inc.)

Appliquer des μModules de chaîne de signaux de précision

Le portefeuille de dispositifs μModules d'acquisition de données de chaîne de signaux de précision d'ADI prend en charge de nombreuses applications dans différentes industries, telles que les suivantes :

Communications. L'ADAQ8092 est un µModule d'acquisition de données à deux canaux 14 bits, 105 Méch./s, haute vitesse, destiné à diverses applications d'acquisition de données et de démodulateur, telles que les émetteurs-récepteurs, les stations de base cellulaires et les infrastructures de réseau. Le dispositif intègre la mise en forme de signaux, un circuit d'attaque CAN, une référence de tension et un CAN dans un seul boîtier. La séparation des circuits RF et numériques atténue efficacement les interférences électromagnétiques produites par les contreparties numériques des composants électroniques RF sensibles au bruit.

Le dispositif forme une chaîne de signaux complète qui intègre tous les composants actifs et iPassives dans une empreinte six fois plus petite que celle d'une solution discrète comparable. Les condensateurs de découplage d'alimentation intégrés améliorent les performances de réjection de l'alimentation. L'ADAQ8092 fonctionne sur des alimentations analogiques de 3,3 V à 5 V et numériques de 1,8 V.

Automatisation industrielle. L'ADAQ7768-1 est un µModule d'acquisition de données de précision 24 bits qui encapsule les blocs de mise en forme, de conversion et de traitement des signaux. Le dispositif prend en charge différents types d'entrées, notamment les capteurs IEPE, les ponts résistifs, les entrées de tension et de courant, pour les applications de surveillance conditionnelle (CbM) qui utilisent des capteurs pour établir des tendances, prédire les défaillances, calculer la durée de vie des actifs et garantir la sécurité humaine.

Les utilisateurs peuvent configurer l'ADAQ7768-1 pour qu'il fonctionne selon deux méthodes de configuration de dispositif en modifiant les registres via l'interface SPI ou avec une simple méthode de pontage de broches. Sept réglages de gain configurables par broches offrent une plage dynamique système supplémentaire et une amélioration des performances de bruit de la chaîne de signaux avec des signaux d'entrée de plus faible amplitude.

Tests automobiles. L'ADAQ23878 convient à la technique Hardware in the Loop (HiL) — une technique de jumeau numérique utilisée pour tester des systèmes complexes en temps réel, tels que les calculateurs (ECU), les systèmes de direction assistée, les systèmes de suspension, les systèmes de gestion de batterie ou tout autre sous-système de véhicule. Il peut également être utilisé pour les équipements de tests automatiques et les applications de contrôle non destructif d'émissions acoustiques, entre autres.

L'ADAQ23878 combine plusieurs blocs de traitement et de mise en forme des signaux dans un seul dispositif, notamment un FDA à faible bruit, un tampon de référence stable et un CAN SAR 18 bits, 15 Méch./s haute vitesse. Son empreinte compacte en boîtier CSP_BGA à 100 billes de 9 mm × 9 mm à pas de 0,8 mm permet d'obtenir des instruments avec un facteur de forme plus compact sans sacrifier les performances. Une interface numérique série LVDS (signalisation différentielle à basse tension) avec des modes de sortie à une ou deux voies permet aux utilisateurs d'optimiser le débit de données de l'interface pour chaque application.

Conclusion

La transformation numérique et l'automatisation stimulent la demande en matière de solutions d'acquisition de données de chaînes de signaux optimisées pour des applications exigeantes dans les domaines de l'électrification, de l'automobile, de la santé numérique, de l'instrumentation, de l'industrie intelligente, de l'énergie et du développement durable. Les µModules de chaîne de signaux de précision d'ADI offrent aux concepteurs un équilibre optimal entre intégration et flexibilité sans compromettre les performances de la chaîne de signaux. L'élimination de nombreux composants discrets réduit le risque de reconception du système, simplifie la nomenclature et peut se traduire par des délais de commercialisation plus courts et des coûts de développement réduits.