חידושים באדריכלות ADC עבור יציבות ארוכת טווח

ממירים אנליגנו-ל-דיגיטליים (ADCs) הם אבני בניין בסיסיות במערכות מדידה ותקשורת מודרניות.היכולת שלהם להמיר באופן נאמן אותות אנלוגיים לנתונים דיגיטליים תחת בסיס נתונים דיגיטליים, מה שממנה מכשירים מדויקים לתחנות בסיס אלחוטיות וציוד הדמיה רפואי. אתגר מתמשך, עם זאת, שמירה על דיוק מתמשך על פני תקופות ארוכות טווח של הזדקנות, תנודות טמפרטורה וריאציות לאספקת מתח מציגות יציבות מסורתיות של פתרונות סטנדרטיים של דיוק, כולל דיוקים מתקדמים, כולל דיוקים מתקדמים, כולל אסטרטגיות יעילות עצמית, כולל יעילות אוטומטית, כולל יעילות עצמית גבוהה יותר, כולל יעילות גבוהה יותר, כולל אסטרטגיות מהירות אישית, כלומר, כולל יעילות עצמית, כולל שימוש ידניות, כולל שימוש ידניות, כולל דיוק לטווח ארוך טווח, כולל שימוש ידניות, כולל יעילות, שימוש ידניות, כולל שימוש ידניות, שימוש ידניות, יעילות גבוהה יותר, יעילות, יעילות, יעילות גבוהה יותר, שימוש ידניות, יעילות גבוהה יותר, יעילות גבוהה יותר, שימוש חוזר של טכניקות סטנדרטית, שימוש ידניות, שימוש ידניות, שימוש ידניות, יעילות, שימוש ידניות, שימוש ידניות, יעילות, שימוש ידניות, יעילות, יעילות, שימוש ידניות, יעילות, שימוש ידניות, שימוש ידניות, שימוש ידניות, שימוש ידניות, יעילות

הבנה עצמית-Calibrating ADCs

בליבתו, ADC מכיל מעגליות על שבב כי אמצעים פנימיים הנגרמים על ידי תקלות רכיב, מתחים מפוסקים, התאמות, ופגמים לינאריים. שגיאות אלה יכולים להיות סטטי (למשל, שלב capacitor לא מתאים במערך SAR) או דינמי (למשל, קביעת שגיאות בשלב הפחתת תפקוד זה מבוצע בדרך כלל ביישומים לא מתואמים, בעוד ש-Cyberliation הוא צורך במעקב קבוע עבור מערכות קירור או עיבוד).

מקורות של ד"רפסט והצורך בהגשמה עצמית

אפילו הניסיון ה- ADCs הכי מתוכנן של ADCs משתנה לאורך זמן.התורמים המרכזיים כוללים:

(FLT:0) אפקטים טמפרדומים: 1FLT שינויים בטמפרטורה מחממת לשנות את סף הטרנזיסטור, ערכים מנוגדים, ויחסי קיבול, עלייה וירידה.
(ב) [15] ,ההזדקנות אחראית: 1FLT:1 רכיבים של סיליקון עוברים השפלה איטית, המשפיעה על זרמי הטיה והתאמה לנכסים.
(ב) ,0) , איורים מתחים: ראטפל 1 וחבל על מסילות חשמל יכול להזריק רעש ולגרום לא לינאריות.
(ב) [15] ,0) ניגודי עוולות סטוצ'יסטיות: 1-10 הבדלים פיזיים בין רכיבים זהים אחרת מובילים לשגיאות שיטתיות שמשנות עם לחץ.

גישות מסורתיות להילחם סחף אלה - כגון שימוש בהפניות מתח חיצוני, כוונון במהלך הייצור, או החלמה תקופתית - עלות מאוחרת, עלייה באזור הלוח, להגביל את האמינות במתקני מרוחקים או בלתי נגישים.עצמים-מפתורים ADCs לפתור זאת על ידי הטמעת אלגוריתמים מתאימים ומבנים מקודמים מקודמים המנטרים בזמן אמת.

איך פועלות הגנה עצמית

הערכה עצמית בדרך כלל עוקב אחר פרדיגמה סגורה או פתוחה-פרלופ. בגישה סגורה-loop, ADC מודד אות התייחסות ידוע, משווה את הפלט לקוד הדיגיטלי הצפוי, ומתאים את המשקל הדיגיטלי הפנימי או פרמטרים אנלוגיים כדי למזער את השגיאה. בגישה פתוחה-loop, שגיאות מוערכות באמצעות ניתוח סטטיסטי של האות או על ידי הזרקת אותות עזר מודרניים לעתים קרובות לשלב את ה- cabration החיצוני.

חדשנות מפתח באדריכלות

ההתקדמות האחרונה בעיצוב עצמי של ADC מונעת על ידי שיפורים בעיבוד דיגיטלי, שילוב מעורב-חתים ויעילות אלגוריתמית.התת הבאה מפרטת את ההחידושים המשפיעים ביותר.

Digital Calibration Algorithms

אולי ההתפתחות הטרנספורמציה ביותר היא המעבר מ calibration אנלוגי לעיבוד דיגיטלי-דומיין אלגוריתמים של אלגוריתמים דיגיטליים לרוץ על לוגיקה ייעודית או על מיקרובקרים על שבב וליישם תיקונים על ידי התאמת קוד הפלט הדיגיטלי של ADC ולא לשנות פיזית את המעגל האנלוגי. גישה זו מציעה כמה יתרונות: זה יכול להיות מיושם ברקמות תהליכים קטנות יותר, מעודכנים באמצעות קושחה, וניתן להתאים לתנאים משתנים לשינוי.

(FLT:0 ריבועים של משמעות מילולית (LMS) Algorithms:Felover 1: Common in tube ADCs, תיקונים מבוססי-PSD מכוונים באופן אדפטי את המשקל של ממירים דיגיטליים-ל-אנטים (DACs) כדי להתאים את התגובה האידיאלית, כפי שהופך את האלגוריתם ללא שינוי וללא לינאריות.
מחקר מתפתח:0 ,Neural Network and Machine Learning Approaches:BuildFLT:1 (מחקר מתפתח) מתייחס לרשתות עצביות קלות משקל כדי לחזות את התקני תיקון המבוססים על טמפרטורה, מתח, והיסטוריית השימוש.מודלים אלה יכולים ליישר לפני סחף צפוי לפני שהוא הופך משמעותי, עוד שיפור יציבות לטווח ארוך.
(FLT:0) ,Lybration מבוסס-הגולגולת: ⁇ 1) על ידי ניתוח חלוקת קודי הפלט כאשר הקלט הוא אקראי או אות מבחן ידוע, שיטות סטטיסטיות יכולות להעריך את ההתפרצות ולהשיג שגיאות מבלי לדרוש מתח התייחסות מדויק.

טכניקות דיגיטליות אלה להפחית את הצורך בטריוט אנלוגי, עלות הייצור הנמוכה יותר, ומאפשרות ל calibration להמשיך דרך מחזורי כוח.

תיקון שגיאות הסתגלות

תיקון שגיאות הסתגלות הוא צעד מעבר ל calibration סטטי על ידי עדכון כל הזמן פרמטרים תיקון בהתבסס על המדידות בזמן אמת.זה חיוני לסביבות שבהן התנאים משתנים בהדרגה, כגון בקרת תהליכים תעשייתיים או חישה רכב.

(FLT:0)Dynamic Element Matching (DEM): 1 ב- DAC מבוסס ADCs, DEM מתאמץ את השימוש באלמנטים המרכיבים (למשל, כרובים או מתנגדים) כך שטעות מתאמת את הממוצע לאורך זמן. כאשר בשילוב עם לוגיקה הסתגלותית, DEM יכול למזער באופן פעיל עיוות חי אפילו כרכיבים.
(FLT:0)Auto-Zeroing ו- Choppingph:1; טכניקות אנלוגיות אלה להפחית את ההתפרצות ואת הרעש נמוך ⁇ על ידי ניתוק מעת לעת את נתיב האות ומינוף התוצאות.היישומים המודרניים משלבים פונקציות אלה תחת שליטה דיגיטלית, ומאפשרות להם להסתגל לרצפה הרעש מבלי להפריע להמרות.
(FLT:0)Foreground / Background SwitchingFirLT:1; כמה ADCs מתקדם יכול לעבור באופן זמני למצב של ריצוף (למשל, כאשר idle) לבצע מדידות מדויקות יותר, ואז לחזור למצב כדי לשמור על המשכיות.

תיקון הסתגלות הוא בעל ערך במיוחד ביישומים בעלי אחריות גבוהה כמו טלמטרי לווייני, שבו החלמה אינה אפשרית לאחר השיגור.

מקורות קידוד משולבים

הפניות מתח חיצוני הן מקור עיקרי של סחף ומורכבות ברמה גבוהה יותר של עצמי-calibrating ADCs משתלב יותר ויותר על מעגלים ההתייחסות שבב שהם עצמם calibrated או מתייחסים אל אלמנט פנימי יציב כגון סיליקון גרד או a Zener diode.

(FLT:0)Bandgap מתייחסות עם TrimFreaLT:1; על ידי כולל על שבב דיגיטלי וקצב טמפרטורה, הפניות אלה להשיג אפקטיביות טמפרטורה נמוכה כמו 2-5 ppm / ° C, דומה להערות דיסקרטיות.
(FLT:0)Ratio-Metric CalibrationFIRLT:1: כמה אדריכלות להשתמש ADC עצמו כדי לגוון את ההתייחסות שלו על ידי השוואתו ליחס פנימי ויציב מאוד או אות תקופתי הנגזר מגבי חיצוני.
(ב) ,0) הפניות אדומות (FLT:1): מערכות יכולות לכלול שני אזכורים או יותר על שבבים כי הם נבדקים; אם אחד מהם נסחף, אלגוריתם ה calibration מזהה את המבדילים ומתאמת בהתאם.

אינטגרציה לא רק מצילה את שטח הלוח, אלא גם מפחיתה את הרגישות לתנודות תרמיות וללחץ ב- PCB, שיפור נוסף ביציבות ארוכת טווח.

רובוסט Noise Reduction

רעש הוא מכשול עיקרי לקליטת קלוריות ברזולוציה גבוהה.ללא ירידה יעילה ברעש, לולאות קליברציה יכולות להפוך לא יציבות או להתכנסות לערכים לא נכונים.

(ב) [15] ,ב"ד כפול מ"ד (CDS)veFLT:1): על ידי הדגימה את האות ואת הרעש בנפרד ו subtracting אותם, CDS מבטל רעש נמוך, אשר מועיל במיוחד במהלך מדידת קליברציה.
(FLT:0) Advancedסינון FilteringFLT:1: פילטרים דיגיטליים נמוכים ומדורגים ממריצים חלק רעש אקראי לפני אלגוריתם החקליברציה מעדכן את האפקטיביות שלו.
(FLT:0) טכניקת ליילטל (Leleout Techniques) 1 (בשיתוף: טבעות משמרות על שבב, בידוד עמוק, ומיקום זה של לוגיקה קליברציה הרחק מהחלפת חלקים מצמצם את ההפיכה העוצמתית והמגנטית.

טכניקות אלה מבטיחות כי תהליך ה calibration עצמו אינו מציג שגיאות, ומאפשר ל- ADC להשיג את הביצועים התיאורטיים שלו.

היתרונות של חידושים אלה

אימוץ ארכיטקטורות עצמיות מחלחלות מציע יתרונות מוחשיים על פני ממדים רבים.

שיפור יכולת ארוכת טווח

היתרון הישיר ביותר הוא צמצום של סחף במשך חודשים ושנים של פעולה רציפה. שבו SAR ADC רגיל 16 סיביות עשוי להציג סחף מוקרן של 10 μV / ° C ולקבל סחף של 50 ppm / ° C, עמית self-calibrating יכול להחזיק את הסחף האלה פחות מ 1 מיקרוV / C ו 5m / ° C בהתאמה, על פני טווח רחב של טמפרטורה זו היא כמו טמפרטורות קריטיות של טמפרטורות.

תחזוקה נמוכה והפחתה של עלויות הבעלות

דחיסה עצמית מבטלת את הצורך בתיקון ידני תקופתי בתחום.עבור חיישנים מרוחקים צינורות שמן או ניטור יער, זה מתורגם לחיסכון משמעותי בנסיעות, עבודה, ושעות למטה, השימוש בהפניות על שבב ועיגולי קליברציה מפחית את ה- BO החיצוני, מוריד את עלות הרכיב ואת המורכבות של הלוח.

שיפור הגמישות והחוספסות

מכיוון ש-ADCs יכול לפצות על הזדקנות וסטרס סביבתי, הם שומרים על ביצועים מוגדרים אפילו בתנאים לא-אידאליים.חזקות זו חיונית במערכות הרכב והתעופה, שבו אי-אפשרות. כמה אדריכלות כוללת גם יכולות מוכחות (BIST) המזהות כאשר כיבוד הוא מחוץ לגבולות מקובלים, מה שמזהיר את המערכת לכשל מוקדם.

עיצוב קומפקטי ואינטגרציה גבוהה יותר

שילוב של קליברציה ושימושי התייחסות על שבב מאפשר למעצבי המערכת לכווץ את טביעת הרגל הכוללת.במכשירים רפואיים ניידים או נקודות קצה IoT, שבו החלל נמצא בקרן, ADC יכול להחליף מודול עם רכיבים חיצוניים מרובים.זה גם מפשט פריסת PCB ולהפחית רגישות להפרעה חיצונית.

תוצאות ואפקטים אמיתיים

שילוב עצמי של ADCs כבר עושה את ההבדל במגזרים תובעניים שבו יש להבטיח את הדיוק לאורך זמן ארוך.

מערכות אוויר ולוויינים

לוויינים ובדיקות חלל עמוקות פועלים במשך עשרות שנים ללא תחזוקה.עצמית עצמית-calibrating ADCs משמשים בטלמטארי, בקרת גישה וכלי מדעי כדי להבטיח איכות נתונים עקבית למרות קרינה קשה ותנודות טמפרטורה רחבות. לדוגמה, עוקבי הכוכבים האחרונים מעסיקים 18-bit עצמית-לחתוך-עצמית ADCsigma ADCs כדי לעקוב אחר עמדות מתפתלות עם דיוק תת-קלי על פני שנים.

בריאות והשתלות רפואיות

מכשירים לא מותאמים כגון צגים גלוקוז, נוירו-סנסולוטורים, וקצבי לב מסתמכים על ADC יציבים במיוחד כדי לזהות אותות פיזיולוגיים.עצמים-הכיבוד לפצות על לכידת רקמות, שינויים בטמפרטורת הגוף, ומתח הסוללה מתקלקל, המאפשרים למכשיר לתפקד במדויק עבור חיי הסוללה כולה ללא החלמה.

אוטומציה תעשייתית ובקרה של תהליכים

במפעל רובוטיקה ועיבוד כימי, חיישנים ללחץ, זרימה וטמפרטורה חייבים לשמור על דיוק על פני מיליוני מחזורי הפעלה.עצמים-calibrating ADCs להפחית את הסחף הקשור לשעות מנוחה, שיפור התשואות והרווחיות. הרבה בקרים לוגיים הניתנים לתוכנה (PLCs) עכשיו לציין עצמי-cal-Ibrating 24 סיביות ADCs עבור המודולים האנלוגיים שלהם.

תשתיות תקשורת

תחנות בסיס ורדיו מוגדרים תוכנה דורשות רחבות רוחב, לינאריות גבוהה ADCs כי נשאר יציב על טמפרטורה וריאציות אספקה. אלגוריתמים של איכות עצמית פועל ברקע לשמור על טווח דינמי ללא עוררין של הממיר (SFDR) מעל 90DB אפילו כמו טמפרטורת הסביבה נדנדה מ -40 מעלות צלזיוס ל- +85 ° C זה משפר את האמינות ישירות את האיכות והפחתת ביקורים שדה.

אתגרים ו-Outlook עתידיים

למרות היתרונות הרבים שלהם, הפנים של ADCs הפנים hurdles כי החוקרים מטפלים באופן פעיל.

כוח ולמעלה

ציפוי רקע מתמשך צורכת כוח דיגיטלי נוסף, אשר יכול להיות דאגה במכשירים המופעלים על ידי סוללות.כיוונים עתידיים כוללים חובה-מחזור של לוגיקה החשקה - תוך הפעלתו רק כאשר סחף הוא סביר - או באמצעות עדשות אולטרה-עוצמה תהליך לא-נמוכות. חלק מהעיצובים משתמשים מנוע קליטה שפועל בקצב שעון נמוך יותר במהלך תקופות של idle, מסחר דיוק לחיסכון בכוח.

המונחים: Calibration Convergence and Accuracy

כמה אלגוריתמים דורשים אלפי מחזורי המרה להתלכד לתקני תיקון יציבים.ביישומים שבהם ה- ADC מוקרן לעתים קרובות ומחוצה לו, עיכוב הסטארט-אפ הזה יכול להיות בלתי מתקבל על הדעת.מחקר מתמקד ב"אינט-און" תוך שימוש ב- coefficients pre-cooked כי הם מעודכנים רק כאשר דפוסי חיישן מראים סחף, צמצום זמן ההתכנסות למילימטרים.

מורכבות ומיזוג

הוספת לוגיקה של calibration דיגיטלית מגבירה את המורכבות העיצובית ואת מאמצי אימות.סימולציה של סימנים מעורבים חייב לקחת בחשבון את האינטראקציה בין שגיאות אנלוגיות לעיבוד דיגיטלי, אשר יכול להיות יקר חישובי.התעשייה נעה לכיוון עיצוב מבוסס פלטפורמה ו בלוקים IP ניתן לייעל את הפיתוח של קולין.

שילוב עם Machine Learning

הגבול הבא הוא שילוב של למידת מכונה (ML) אלגוריתמים ישירות על שבב ADC. על ידי אימון רשת עצבית על נתונים של סחף היסטורי, ADC יכול לחזות שגיאות עתידיות ו-Pre-compensate באופן פרואקטיבי.מודל ML יכול גם להתאים פרמטרים של כיבוד מבוסס על מאפייני האות, שיפור ביצועים עבור אירועים טרנספורמטים.

גישה מבטיחה נוספת היא השימוש בתאומים דיגיטליים – מודלים אממטיים של ההתנהגות האנלוגית של ADC שפועלת בזמן אמת.התאום צופה את הפלט האידיאלי, וכל סטייה גורמת לתיקון.

מסקנה

ארכיטקטורות עצמיות ADC צמחו מנושא מחקר נישה לפתרון מעשי להשגת יציבות ארוכת טווח ללא פיקוח ידני.על ידי שילוב אלגוריתמים דיגיטליים, תיקון הסתגלות, אזכורים משולבים והפחתה של רעש חזק, הממירים האלה מאפשרים מדידות דיוק בחלק מהסביבות התובעניות ביותר.היתרונות - תחזוקה נמוכה יותר, אמינות מוגברת וגורם קטן יותר - הם מניעים מעבר לטווח אוויר, בריאות תעשייתי, ומערכת למידה דיגיטלית יעילה, כמו גם לחץ אנושי יעיל.