Semplificare la progettazione dell'acquisizione dati a catena di segnali con soluzioni standardizzate e personalizzabili

Le catene di segnali sono parte integrante di numerosi sistemi elettronici per le comunicazioni, i dispositivi biomedici, l'automazione industriale, la strumentazione, i sensori e molte altre applicazioni. Gli architetti di sistema e i progettisti di hardware devono affrontare numerose sfide logistiche e tecniche per bilanciare i requisiti specifici con la necessità di ridurre gli ingombri, comprimere le iterazioni di progettazione e accelerare il time-to-market. Queste sfide impongono soluzioni più standardizzate e integrate che possano comunque essere altamente personalizzate per soddisfare le esigenze di svariate applicazioni.

Le catene di segnali includono tipicamente componenti digitali e analogici, come i convertitori analogico/digitale (ADC), gli amplificatori operazionali, gli isolatori digitali e altri componenti specifici di una data applicazione. Gli ingegneri e i progettisti di prodotti che cercano di creare soluzioni ottimali devono affrontare diversi compromessi nella scelta dei componenti, tra cui il rumore, il consumo energetico, la larghezza di banda e il costo.

Molti progettisti creano catene di segnali di acquisizione dati per applicazioni come le apparecchiature di test automatizzate, l'aviazione, l'automazione macchine e, nel settore sanitario, i sistemi di monitoraggio, diagnostica e imaging. Le tendenze in fatto di hardware favoriscono prestazioni avanzate di conversione dei dati di precisione e una maggiore robustezza per progetti complessi, che spesso mettono a dura prova i limiti termici e di densità delle schede a circuiti stampati (PCB).

Il raggiungimento di un throughput più elevato, la riduzione al minimo del consumo del sistema e la protezione e il pilotaggio degli ingressi ADC possono creare conflitti di progettazione rispetto all'utilizzo di circuiti integrati (CI) altamente integrati specifici per il cliente o di componenti standard discreti, più economicamente vantaggiosi. Entrambi gli approcci fanno lievitare i costi di ricerca e sviluppo di blocchi di catena di segnali ad alte prestazioni e precisione per le applicazioni finali. L'approccio specifico per il cliente è solitamente più costoso, ma è probabile che i dispositivi discreti compromettano le prestazioni nell'intervallo di temperatura di funzionamento e per la vita utile del circuito.

Analog Devices, Inc. (ADI) risolve i principali problemi di progettazione di una catena di segnali di acquisizione dati sfruttando l'integrazione eterogenea tramite la tecnologia System-in-Package (SiP) per ottenere una maggiore densità, una maggiore funzionalità, prestazioni migliori e un tempo medio tra i guasti più lungo. Le soluzioni μModule ® per catena di segnali di precisione di ADI sono una soluzione compatta, personalizzabile e integrata che semplifica la progettazione, migliora le prestazioni e fa risparmiare sui cicli di sviluppo.

Aumento della densità senza riduzione delle prestazioni

Un obiettivo chiave delle catene di segnali di precisione avanzate è quello di migliorare la densità senza incidere negativamente sulle prestazioni, in quanto i progettisti cercano di inserire più canali nello stesso fattore di forma o di adottare un approccio ADC per canale.

Le catene di segnali di acquisizione dati devono spesso interfacciarsi con più sensori con tensioni di modo comune e segnali di ingresso diversi. Tra i problemi più comuni vi sono lo squilibrio del circuito o la mancata corrispondenza delle resistenze di retroazione e di guadagno, che possono determinare un rapporto segnale/rumore (SNR), una distorsione, un errore di guadagno e un rapporto di reiezione in ingresso indesiderati.

Le soluzioni per catena di segnali di precisione μModule di ADI integrano più componenti analogici e digitali in un unico modulo, utilizzando la tecnologia passiva integrata dell'azienda iPassives con i CI di condizionamento del segnale e i SiP di ADI. iPassives è stato sviluppato da ADI diversi anni fa per superare le limitazioni e le complessità del passato legate all'adozione di componenti passivi discreti prodotti separatamente e collegati su una scheda. Ciò offre agli sviluppatori uno strumento di progettazione flessibile per creare soluzioni di sistema robuste, con le migliori prestazioni della categoria e tempi di sviluppo ridotti.

Con le soluzioni μModule, i progettisti possono creare quello che sembra un singolo dispositivo per fornire funzionalità che in precedenza richiedevano più componenti discreti in soluzioni a livello di scheda. Questo approccio elimina i problemi di compatibilità e consente di ridurre gli ingombri.

Riduzione del tempo di immissione sul mercato

I progettisti di sistemi possono raggiungere livelli di integrazione più elevati e un time-to-market più rapido, garantendo al contempo velocità migliori e consumi ridotti a un prezzo accessibile. L'approccio μModule offre soluzioni complete confezionate in spazi efficienti e ottimizza le prestazioni e l'affidabilità della catena di segnali.

Le soluzioni μModule per catene di segnali di precisione di ADI mirano ad aumentare la densità in un fattore di forma più piccolo, combinando dispositivi di prim'ordine e processi di assemblaggio 2,5D/3D avanzati, mantenendo una gestione intelligente ed efficiente dei componenti del sistema. La combinazione di funzioni come l'amplificazione, il filtraggio e l'ADC in un unico modulo elimina la necessità di realizzare una complessa catena di segnali di acquisizione dati con singoli componenti. Questo approccio riduce in modo significativo le correnti parassite di interconnessione, induttanza, capacità e resistenza.

Grazie a nuclei già progettati, fabbricati, caratterizzati e testati, gli μModule per catena di segnali di precisione di ADI possono ridurre significativamente i tempi di progettazione. Sono inoltre forniti con catene di segnali preconfigurate e risorse di supporto di ADI, tra cui schede di valutazione e kit di sviluppo software.

I progettisti possono adattare i parametri e le caratteristiche della catena di segnali ai requisiti specifici dell'applicazione grazie a una suddivisione intelligente dei componenti. Il guadagno regolabile, la larghezza di banda, le opzioni di filtraggio e altre caratteristiche personalizzabili danno vita a una piattaforma versatile che risolve diverse sfide progettuali.

Anziché doversi districare nell'implementazione a livello di circuito, con gli μModule i progettisti di sistemi possono concentrarsi sulla progettazione e sulla funzionalità a livello di sistema, consentendo una più rapida prototipazione e validazione del sistema e abbattendo il time-to-market per creare applicazioni innovative, promuovendo una programmazione più aggressiva dei processi, dalla definizione del sistema alla consegna dei componenti.

I componenti passivi che degradano le prestazioni e il rendimento durante la produzione sono integrati nel dispositivo μModule, il che comporta una riduzione dei costi secondari, come il pick-and-place dell'assemblaggio, le perdite di rendimento delle PCB del sistema, l'assistenza ai resi sul campo e la calibrazione della catena di segnali. L'integrazione dei componenti passivi nel substrato della PCB riduce le fonti di errore dipendenti dalla temperatura, limitando al contempo il numero di componenti discreti e di interconnessioni su una PCB, con conseguente riduzione dei giunti di saldatura e miglioramento dell'affidabilità.

I moduli ADAQ7980 (Figura 1) e ADAQ7988 di ADI sono sistemi di acquisizione dati ADC a 16 bit che integrano quattro blocchi di elaborazione e condizionamento del segnale in un contenitore LGA di 5 x 4 mm. Questi sistemi supportano diverse applicazioni, tra cui apparecchiature di test automatizzate, strumentazione alimentata a batteria, comunicazioni, controllo dei processi e strumenti medici. Questi dispositivi integrano i componenti passivi più critici, eliminando molte delle sfide progettuali associate alle catene di segnali tradizionali che utilizzano ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR). Inoltre, più dispositivi possono essere collegati in cascata su un singolo bus trifilare con un'interfaccia periferica seriale (SPI) compatibile. Tutti i componenti attivi del SiP sono progettati da ADI, compresi:

• ADC SAR a 16 bit ad alta precisione e a basso consumo energetico
• Driver ADC a basso consumo, elevata larghezza di banda e alta impedenza di ingresso
• Buffer di riferimento stabile a basso consumo
• Efficiente blocco di gestione dell'alimentazione

Figura 1: μModule ADAQ7980 di ADI (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

μModule per la catena di segnali di precisione

La gamma di μModule per catena di segnali di precisione di acquisizione dati di ADI supporta molte applicazioni in svariati settori, tra cui i seguenti:

Comunicazioni. ADAQ8092 è un modulo di acquisizione dati a due canali, alta velocità, 14 bit e 105 Msps, per varie applicazioni di demodulazione e acquisizione dati, come transceiver, stazioni base cellulari e infrastrutture di rete. Il dispositivo incorpora in un unico contenitore il condizionamento del segnale, un driver ADC, un riferimento di tensione e un ADC. La separazione dei circuiti RF e digitali attenua efficacemente le interferenze elettromagnetiche causate dalle controparti digitali dell'elettronica RF sensibile al rumore.

Il dispositivo forma una catena di segnali completa che integra tutti i componenti attivi e iPassives in un ingombro sei volte inferiore rispetto a un'analoga soluzione discreta. I condensatori di disaccoppiamento dell'alimentazione integrati migliorano le prestazioni di reiezione dell'alimentazione. ADAQ8092 funziona con alimentazione analogica da 3,3 V a 5 V e digitale a 1,8 V.

Automazione industriale. ADAQ7768-1 è un modulo di acquisizione dati di precisione a 24 bit che racchiude blocchi di condizionamento, conversione ed elaborazione del segnale. Il dispositivo supporta diversi tipi di ingresso, tra cui sensori IEPE, ponti resistivi, ingressi di tensione e corrente, per applicazioni di monitoraggio basato sulle condizioni (CbM) che utilizzano i sensori per stabilire le tendenze, prevedere i guasti, calcolare la durata delle risorse e garantire la sicurezza delle persone.

Gli utenti possono configurare ADAQ7768-1 per il funzionamento con due metodi di configurazione, modificando i registri attraverso l'interfaccia periferica seriale (SPI) o con un semplice metodo di ponticellamento pin a livello hardware. Sette impostazioni di guadagno configurabili tramite pin offrono un'ulteriore gamma dinamica del sistema e migliori prestazioni di rumore della catena di segnali con segnali di ingresso di ampiezza inferiore.

Collaudo automotive. ADAQ23878 è adatto per Hardware in the Loop (HiL), una tecnica di gemellaggio digitale utilizzata per testare sistemi complessi in tempo reale, come le unità di controllo elettronico (ECU), i sistemi di servosterzo, di sospensione e di gestione della batteria o qualsiasi altro sottosistema del veicolo. Può essere utilizzato, tra l'altro, anche per le apparecchiature di test automatico e per le applicazioni di controllo non distruttivo delle emissioni acustiche.

ADAQ23878 combina più blocchi di elaborazione e condizionamento dei segnali in un unico dispositivo, tra cui un FDA a basso rumore, un buffer di riferimento stabile e un ADC SAR a 18 bit e 15 Msps ad alta velocità. Il suo ingombro compatto di 9 × 9 mm, passo di 0,8 mm in un contenitore CSP BGA a 100 sfere consente di realizzare strumenti dal fattore di forma più compatto senza sacrificare le prestazioni. L'interfaccia digitale per la segnalazione differenziale a bassa tensione (LVDS), con modalità di uscita a una o due canali, consente agli utenti di ottimizzare la velocità dei dati dell'interfaccia per ogni applicazione.

Conclusione

La trasformazione digitale e l'automazione spingono la domanda di soluzioni di acquisizione dati a catena di segnali ottimizzate per le applicazioni più esigenti in settori quali l'elettrificazione, automotive, salute digitale, strumentazione, dispositivi intelligenti, energia e sostenibilità. Gli μModule per catena di segnali di precisione di ADI offrono ai progettisti un equilibrio ottimale tra integrazione e flessibilità senza compromettere le prestazioni della catena di segnali. Eliminare molti componenti discreti riduce il rischio di riprogettazione del sistema, semplifica la distinta base del sistema e può comportare un time-to-market più breve e costi di sviluppo ridotti.