הבנת ה-Stats: למה רובוסט ADC עיצוב משנה

Analog-to-Digital Converters (ADCs) משמש גשר קריטי בין העולם האנלוגי - חיישנים, טרנסנפורמטים, אותות - ואת התחום הדיגיטלי של מעבדים, בקרים ומערכות רכישת נתונים.במעבדה מבוקרת או סביבות משרדים, ADCs סטנדרטי לבצע באופן הערצה. עם זאת, כאשר הם פרוסים בתנאים סביבתיים קשים - כגון אוטומציה תעשייתית על רצפת מפעל, שמן ופלטפורמות גז, להכפיל את החיישנים אוויריים, או מרחוק, או חיישנים אוויריים, או חיישנים אוויריים, או מרחוק, או חיישנים אוויריים מרחוק, או חיישנים.

טעות אחת המוצגת על ידי סחף טמפרטורה, התנגדות מגע מושרה רטט, או הפרעה אלקטרומגנטית יכול לקשק לתוך כשלים במערכת, סכנות בטיחות, או ירידה יקרה.לכן, הנדסה ממשק ADC חזק אינה רק פעילות בבחירה של רכיב; זה משמעת ברמת מערכת נוגעת ניהול תרמי, עיצוב מכני, תאימות אלקטרומגנטית, אימות קפדני.

להשמיד את האיומים הסביבתיים

לפני צלילה לתוך אמצעי מניעה, חיוני לסווג את המתחים הסביבתיים הספציפיים ולהבין איך כל אחד מערערער את ביצועי ADC.ערכת איום יסודית מהווה את הבסיס של כל עיצוב חזק.

טמפרטורה קיצונית ו-Thermal Cycling

ADCs מכיל מעגלים אנלוגיים מדויקים אשר הביצועים שלהם קשורה באופן מהותי לטמפרטורה.שינויים של קי parametric כוללים:

  • (FLT:0) מצגת והשגת סחף:FLT:1, מתחים פנימיים ומאפיינים של הדגה משתנים עם טמפרטורה, גרימת שגיאות מדידה שיכולה לעלות על ההחלטה הדירוג של ADC.
  • שינויים לא ליניאריות: 0(FLT:1 אי-לא-ליניאליות (INL) ואי-ליניאליניות שונות (DNL) עלולים לגרוע, במיוחד בטמפרטורות קיצוניות מעבר לטווח המסחרי הסטנדרטי (0 ° C עד 70 מעלות צלזיוס).
  • (FLT:0)Sampling שעון ג'רמי:FLT:1 וריאציות טמפרטורה יכול להשפיע על oscillators קריסטל ו מעגלים PLL, הגדלת ג'ייטר וצמצום מספר יעיל של ביטים (ENOB).
  • (FLT:0) מתח מכני מהתרחבות תרמית:FreaLT:1) חוזר על התרחבות וההתכווצות של המפרקים שנמכרים, עקבות PCB וחבילה מובילה יכול ליצור מיקרו-קפיצים או חיבורים לסירוגין.

ADCs ברמה תעשייתית מדורגות בדרך כלל עבור -40 מעלות C ל +85 ° C, בעוד שדרגת הצבא (MIL-STD-883) חלקים המשתרעים ל -55°C ל- +125 מעלות צלזיוס או גבוה יותר.

« « « זעזוע, מתח מכני

ביישומים כגון יחידות בקרת מנוע רכב, כלי קידוח חור, או כלי רכב אוויריים בלתי מאוישים, רטט מתמשך וזעזועים פתאומיים הם בלתי נמנעים.

  • (FLT:0) קוניקטור מחלחל ומיקרו-מור:FLT:1 מועצת המנהלים של לוח-ללוח אנשי קשר בכבלים יכולים ללבוש, מה שגורם לשינויים בהתנגדות לסירוגין כי הזרקת רעש או משבש אותות.
  • (ב) ⁇ :0) ,בהמשך: מרכיבים כבדים כגון כיור חום או כופרים גדולים עשויים להיות מכרים משותפים תחת הלם גבוה.
  • (FLT:0) השפעות פיזיות בציפוי קרמיקה: מתח מכני:1 על MLCC יכול לייצר ספיגות מתח ברמה מיקרו-וולט אשר יחד אל תוך נתיב קלט ADC.

Moisture, Condensation ו Contaminants

לחות גבוהה, תרסיס מלח, אבק וחשיפה כימית יוצרים מנגנוני כשל רבים:

  • (FLT:0) הגירה אלקטרונית: FLT:1 Moisture בשילוב עם מתח הטיה יכול לגרום צמיחה נדריטית בין עקבות PCB סמוכים, המוביל לזרמים דליפים או מעגלים קצרים.
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) אבק מלוטש: 1FreaLT:1 (ד) חלקיקים מתכתיים או פחמן יכולים ליצור נתיבים מוליכים ללא שינוי על קלטות גבוהה.

אלקטרומגנטי הבין-התערבות (EMI) ורדדפסציה

סביבות Harsh הן לעתים קרובות רועשות מבחינה אלקטרומגנטית.אוטובוסים, מתגים, משדרי רדיו, וקווי חשמל גורמים למתחים לא רצויים לתוך קווי קלט ADC, מעגלים ההתייחסות ודרכי השעון.ללא הפחתה נאותה, EMI יכול להופיע כרעש מלוטש, שינויים מלמטה, או קודים מעוררים.

אסטרטגיות עיצוב עבור Robust ADC Interfaces

עם הנוף האיום מוגדר, אנו פונים כעת לטכניקות ההנדסה המבטיחות ממשקי ADC לשרוד ולבצע. אסטרטגיות אלה צריכות להיות מיושמות באופן הוליסטית משלבי הסכאמטי והפריסה באמצעות האסיפה הסופית.

1 בחירה מתאימה מעבר לגליון הנתונים

בחירת ADC אינה רק על פתרון וקצב דגימה; הטכנולוגיה של החבילה והתהליך להשפיע מאוד על חוסן סביבתי.

  • (FLT:0) חלקים מטמפרטורת הטמפרטורות נעות: FIRLT:1 , חפש ADCs המפורטים על -55 מעלות C ל +125 מעלות צלזיוס (לעתים קרובות מלוטש על ידי "E" או "M" suffixes במספרים שונים) מעגלי הפיצויים הפנימיים שלהם ומתנגדים trated נועדו לסחף נמוך.
  • (FLT:0) חבילות הרמטיות: 1FLT 1 Ceramic או Metalחבילות (למשל, CQFP, CGA) מתנגדים לחות הרבה יותר טוב מאשר יתרות פלסטיק.
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ :0) או הוראת צבא: (ב) או כישורים צבאיים: (1) נספחים 1 (סעיפים 1:1) או מקבילים המפורטים תחת FLT:2MIL-PRF-38535igFLT 3 (מעגלים מתואמים) או סטנדרטים דומים עברו בדיקות מתח סביבתיות מחמירות.
  • (FLT:0)CPCB מחברים: 1FLT) השתמש מחברים מעגליים מתואמים IP67 (למשל, M12 או MIL-DTL-38999) עם קשרים מקודמים זהב עבור התנגדות רטט והגנה על קורוזיה.

המונחים: righting and input Protection

ממשק ADC חזק מתחיל במסופים האנלוגיים של קלט.העיגול מיזוג האות חייב לטבול, לסנן ולהגן על ADC מפני אירועים מורכבים ומשתנים.

Inputing filter

(בדרך כלל מסנן נמוך או שלישי או מסנן פעיל) מקטין רעש מחוץ לפס ומונע התערבות גבוהה של קידוד מתקפל לתוך החתיכה.תדירות הקיצוץ צריך להיות טוב מתחת לשיעור Nyquist. בסביבות קשות, באמצעות שימוש ב- YFLT:0COG /0 capacitorsFLT1 עבור הקטבים הוא מומלץ על פני XR7 יציב, בניגוד לטמפרטורה של YR5.

Overvoltage and Transient Protection

חיישנים תעשייתיים לפעמים מייצרים מתחים מעל טווח קלט ADC עקב תקלות או רעש. הוסף דידות מדגימות חיצוני (למשל, שטאקי או טלוויזיותS diodes) למסילות האספקה, ואחריו סדרה הנוכחית-מגבילה התנגדות.עבור ADCs במהירות גבוהה, להבטיח כי דישנים clamping יש קפיאנט נמוך (< 5F) כדי למנוע רוחב פס פס.

עיצוב מעגלי

מתח ההתייחסות הוא פעימות הלב של ADC; כל סחף או רעש שם מתורגמים ישירות לשגיאה מדידה. בסביבות קשות, מעגל ההתייחסות דורש תשומת לב מיוחדת.

  • (FLT:0) ליתר דיוק, אזכורים נמוכים: אנדרופט: 1:1 בחר הפניות מתח עם יעילות טמפרטורה של 5 pm / ° C או פחות. . . LT4525 או LT6657) בדרך כלל מציעים סחף נמוך יותר רעש מאשר סוגים של חרטה.
  • (FLT:0)Decouple בכבדות: FLT:1 מציב ט טנטלום נמוך או פולימר קיבול (10-47 μF) במקביל עם קרמיקה של 0.1F קרוב לתפוקה ההתייחסות. להימנע משימוש רק X7R קרמיקה עבור הציפוי הגדול; היבול שלהם יכול לרדת ב -50% בטמפרטורות קיצוניות.
  • (FLT:0)Kelvin sensing:FreaLT:1) כביש מתח ההתייחסות ל- ADC באמצעות עקבות של כוח-כוח נפרד כדי לחסל טיפות מתח שנגרמו על ידי התנגדות PCB או התנגדות ליצירת קשר.

4. PCB עבור רובוסטנס

החלטות הפריסה הגופניות משפיעות עמוקות על האופן שבו ממשק ADC עומד בפני לחץ סביבתי.

מטוסים ומטוסי חשמל

השתמש במטוס קרקע מוצק ללא פיצולים מתחת ל- ADC ועיגול האנלוגי שלה.זה מצמצם לולאות קרקע ומספק נתיב החזרה להגדרה נמוכה הן עבור זרמים אנלוגיים והן דיגיטליות.בלוחות רב-שכבות, מקדיש לפחות שכבה פנימית אחת כדי לבסס.איים אנלוגיים ודיגיטליים נפרדים רק כאשר יש צורך מוחלט, ומחבר אותם בנקודה אחת מתחת ל- ADC.

הפצה: Thermal Distribution

מיקום בולט צריך להימנע כתמים חמים תרמיים.מקם את ADC הרחק מ dissipators כוח גבוה כמו הרגולטורים מתח או מגברי כוח.אם היישום דורש אחידות טמפרטורה קיצונית, לשקול הוספת מפיץ נחושת על הלוח או באמצעות PCB תרמי (למשל, אלומיניום-core או מבודד מתכת substrate).

הרהורים ו-Strin Relief

עבור מערכות שנפוכות לזעזוע ולרטט, לאבטח את כל המחברים עם תכונות נעילה או הסרה. השתמש במברגים על הסיפון בפינות ורכיבים כבדים קרוב.ליישם ציפוי קונפורטיבי (למשל, אקרילי, סיליקון, או Parylene) לאחר איסוף כדי להגן מפני לחות, אבק, ומזהמים כימיים.

5.מגן ו-EMI Mitigation

התערבות אלקטרומגנטית היא נושא רחב; כאן אנו מתמקדים בטכניקות הרלוונטיות ביותר לממשקי ADC.

  • (ב) טבעת של 0Guard עבור קלטות בעלות השפעה גבוהה: ⁇ FLT 1:1 שומר סף נמוך סביב פיות קלט אנלוגי, מחובר לקרקע אנלוגי או מגן מונע, מסיט זרמי פני השטח הרחק מנתיב האות.
  • (FLT:0)Ferrite beads on Power Supply: ⁇ FLT:1 , Place ferrite beads על מסילות האספקה של ADC (במיוחד עבור אספקת האנלוגי) כדי לדכא רעש גבוה.להבטיח ההתנגדות של ה- DC של bead הוא נמוך מספיק כדי למנוע טיפות מתח.
  • (FLT:0) הגנה מפני ביטחון: FLT:1 השתמש במכל מתכת (אלמינום או פלדה) עם חיבור הולם בים.אם הסביבה כוללת שדות מגנטיים גבוהים (למשל, ליד ההופכים), לשקול מגן mu-metal עבור סעיף ADC.
  • (ב) ניהול קלף:0 (Cable Management:FLT:1) השתמש בכבלים מעוותים של אותות אנלוגיים, עם מגן מעומק בקצה אחד (עדיף את סוף הבקר) כדי למנוע לולאות קרקעיות.

טכניקות מתקדמות לסביבה קיצונית

כאשר גישות סטנדרטיות אינן מספיקות – כמו חקר שמן או אלקטרוניקה לווינית – אמצעים נוספים נעשים נחוצים.

ערוץ ADC והצבעה

עבור מערכות קריטיות המשימה, עיצוב שני או שלושה ערוצים ADC מדגימה את אותו אות. אלגוריתם הצבעה מדיה או רוב יכול לדחות קריאה מעוררת קריאות שנגרמו על ידי זעזועים טרנספורמטיביים (למשל, מקרניים קוסמיים או התפרצויות EMI).זה דורש שטח נוסף עלות ועלויות אבל מגביר באופן דרמטי את הסובלנות.

דינמיות ועצמיות

קלורציה תקופתית באמצעות מקור מתח פנימי או חיצוני לפצות על סחף איטי בתחילת, רווח, ולא ליניאריות. רבים מודרני ADCs כוללים פונקציות בנויות-במבחן עצמי (BIST) שניתן להשתמש בהן במהלך זמני מערכת idle. עבור קלמנט מתמשך, הזרקת מתח ידוע באמצעות מספרxer ולהשתמש בו כדי להתאים את המדידות המתמטיות הבאות.

אקטיביות Dithering

הוספת אות רעש ידוע, נמוך ברמה נמוכה (ד') לקלט האנלוגי לפני הקונפליזציה יכול להפחית את ההשפעות של אי-לינאריות שונות ולשפר את ההחלטה האפקטיבית, במיוחד כאשר מדידת אותות קטנים.התר יכול להיווצר על ידי זרם קטן פסאודו-רומי או גל משולש סימטרי, אז טכניקת משולשת תת-סימטרית זה הוא בעל ערך במיוחד כאשר רצפת הרעש המסובך מאוד נמוכה, פרדוקסלי, סביבה מתה-קטית שיכולה לחשוף שגיאות חלקה.

פרוטוקולי בדיקה ואימות

תכנון של עוצמה אינו שלם ללא משטר בדיקה קפדני ששכפל - או עולה - תנאי שדה צפויים.

טמפרטורה Cycling

להציב את ממשק ADC בתא תרמי ומחזור בין טמפרטורות נמוכות וגבוהות קיצוניות (למשל, 55 מעלות צלזיוס ל +125 מעלות צלזיוס) עם שיעור רמפה של 10-15 מעלות צלזיוס /מין. Soak במשך 30 דקות בכל קיצוני ומדד את הפלט ADC בנקודות טמפרטורה מרובות.קריטריונים קבלה צריכים להתאים עם דרישות המערכת (למשל, קבל <20 / m / C °).

« « « התחממות וזעזוע (MIL-STD-810)

בצע סינוסאיד ורוטאלי רטט גורף מ 5 הרץ עד 2000 הרץ בהאצות האופייניות ליישום המטרה.בנוסף, להחיל דופקים מכניים (למשל, 20 גרם, 11 מ's חצי-sine) בכל שלושת האקסקסים. Monitor ADC פלט עבור glitches, מדפים, או שגיאות תקשורת במהלך ואחרי הלחץ.

Ingress Protection (IP Testing)

עבור מחסנים חתומות, לבצע IPX6 (מטוסי מים חזקים) ו- IPX7 (1 m ⁇ ) בדיקות עבור IEC 60529. עבור סביבות אבקות אבק, השתמש ב- IP6X (dust-ht) בדיקות עם תא אבקת טלקום.

בדיקות EMC/EMI (IEC 61000-4)

הגישו את המערכת לבדיקות חסינות מתקדמות ורדיוניות, כולל הפרשות אלקטרוסטטיות (ESD) עד ±15 kV אוויר פריקה, transients מהירים חשמליים (EFT) על קווי אותות, ורדיו שדות RF עד 10 V / מ 80 MHz ל 6 GHz. ADC לא צריך לחוות אובדן של סינכרון או שגיאות מעבר לאזור התפעולי המוגדר בטוח.

מחקר אמיתי-עולמי: ADC Interface for Downhole

שקול כלי נפילה המנטר לחץ וטמפרטורה בעומק של 5 ק"מ, שבו הטמפרטורה הממוקדת יכולה להגיע ל-175 מעלות צלזיוס ולחץ עולה על 1000 בר.

צוות העיצוב בחר ADC (כגון AD7980 בחבילה קרמיקה) מדורג 175 מעלות C. מחזורי אות הקלט המשמש את FLT:0thick-film השבבים עם TCRevolveFLT נמוך 5:1 ו COG capacitors.ה- PCB היה מוטבע על חומר פולימידי (למשל, Pyralux) סטנדרטי כי FR-4laminates מעל 130 מעלות צלזיוס נמכרה מלאה.

מסקנה: מערכת-Level Mindset

תכנון ממשקי ADC חזקים לתנאים סביבתיים קשים הוא לא משימה שניתן לגשת אליה.זה דורש נוף הוליסטי הכולל מבחר רכיב, טופולוגיה מעגלית, עיצוב מכני, ניהול תרמי ואימות יסודי.כל החלטה - מהבחירה של קיבולים בפילטר נגד-aliasing לסגנון של חיבור המשמש - משפיע על אמינות ארוכת טווח.

על ידי אימוץ האסטרטגיות המתוארות במאמר זה - באמצעות רכיבים תעשייתיים וצבאיים, יישום תנופה אותות חזקים וסבבי ההתייחסות, תשומת לב קפדנית לפריסת PCB ומגן, וכפוף לתכנון לבדיקות סביבתיות מקיפים - מהנדסים יכולים ליצור ממשקי ADC המספקים ביצועים עקביים ומדויקים בהגדרות התובעניות ביותר.התוצאה אינה רק עיצוב שעובד היום, אלא גם אחד שעדיין תלוי במשך שנים בתחום, צמצום יישומים של בעלות וקידום.

(ב) לקריאה נוספת על נהלי בדיקות MIL-STD ומפרטים של רכיב, ייעוץ משאבים כגון:0ASTM E595FLT:1 עבור תקני הגזים במתקני חתומות, והערות יישומים של יצרנים מרכזיים ADC כגון FLT:2Analog התקניםFLT 3FLT 3 ו-FLT:4TexasciosFLT:5, אשר מספקים הדרכה מפורטת על מעגלים הגנה והגנתיים.