עיצוב אלקטרוניקה דיגיטלית עבור מכשירים מדעיים בעלי ביצועים גבוהים

תכנון אלקטרוניקה דיגיטלית עבור מכשירים מדעיים בעלי ביצועים גבוהים הוא משמעת שפועלת בצומת של הנדסת חשמל, פיזיקה וחומרים מדע. מכשירים אלה - כולל ספקטרום, גלאי חלקיקים, שעונים אטומיים, וחיישנים קוונטיים - דורש מדדי מדידה הדוחקים את הגבולות של ביצועים אנלוגיים ודיגיטליים.כל מיקרו-וולקט של רעש, כל שנייה של ג'טר, וכל חלק-עשרים בערכי יסוד של טכנולוגיות מחשוב מוכחות של נתונים, יכולות לבחון את האתגרים המדעיים של ביצועים מדעיים.

אתגרים מרכזיים בעיצוב גבוה פרופילים דיגיטליים

עיצוב אלקטרוניקה דיגיטלית עבור מכשירים המדידה כמויות פיזיות עם דיוק קיצוני מציג קבוצה ייחודית של מכשולים.ה שולי לשגיאה הוא קטן להיעלם, ואת הממשק של גורמים חשמליים, תרמיים ומכניים דורש גישה שיטתית ורב תחומית.

רעש והתערבות

כלי חיזוי גבוהים רגישים מאוד להפרעות חשמל. מקורות רעש כוללים רעש תרמי (ג'ונסון-ניקוויסט) רעש, רעש ירי, רעש flicker והתערבות אלקטרומגנטית חיצונית (EMI) ADC טיפוסית עם שלבים של 24bit ברזולוציה יש לפחות משמעותי (LSB) ערך במיקרו-volt או אפילו ננו-volt טווח; כל רעש מעל רמה זו ישירות של רזולוציה דיגיטלית יעילה לבודדת של 20 קווי חשמל רגישים, 000.

Synchronization and Timing Accuracy

מכשירים מדעיים רבים של PCB דורשים sampling מסה סנכרון על פני ערוצים מרובים או עם גורמים חיצוניים.ביישומים כגון זמן-of-טיסה של ספקטרום או עיכובים לגילוי, תזמון ג'יטר נמוך כמו כמה עשרות שניות יכול להיות נדרש.זה מקומות קיצוניים על גבי דור השעון והפצה.

סובלנות ו Drift

לא רכיב פסיבי או פעיל אלקטרונית הוא מושלם. Resistors יש סובלנות וטמפרטורות coefficients; capacitors להציג ספיגה דיאלקטרית והזדקנות; ADCs יש רווחים מצטברים עם טמפרטורה וזמן. במערכת גבוהה של דיוק, אלה שאינם אידיאלים מצטברים דיוק ( 0) חייב להיות פיצוי באמצעות calibration, בחירת חלקים הדוקים, או תיקון דיגיטלי למשל, 10 מעלות צלזיוס) טרה (p) ליתר דיוק, 0.

חוסר יכולת

חום שנוצר על ידי לוגיקה דיגיטלית, אספקת חשמל וסביבות חיצוניות גורם פרמטרים רכיב להשתנות. אפילו כמה מעלות צלזיוס שינוי יכול לשנות מתחים מתחילים, רווח, ופלטי התייחסות.אסטרטגיות כוללות עיצוב אחר-כך (לשמור מקורות חום הרחק מקטעים אנלוגיים רגישים), בקרת טמפרטורה פעילה באמצעות רכיבי Peltier, ושילוב של חיישנים טמפרטורה עבור תיקון בזמן אמת.

כוח אספקה

אספקת חשמל נקייה ויציבה היא הבסיס של כל מערכת גבוהה של פיקוח.Switching הרגולטורים, בעוד יעיל, להציג ripple ורעש רעש גבוה ⁇ בדרך כלל, גישה דו-שלבית משמשת: מעבר ואחריו על ידי אדפטפט נמוך (LDO) רגולטורים ליניאריים עם יחס אספקת חשמל גבוה (PSRR) - 60 dB או טוב יותר ב 1 kHz ומעל.

אסטרטגיות עיצוב עבור High-Precision Electronics

האתגרים המתוארים לעיל תואמים עם קבוצה של אסטרטגיות הנדסיות מוכחות המשתרעות על בחירת רכיב, עיצוב מעגלים, פריסה וקושחה.כל אסטרטגיה היא עמוד חיוני בבניית מכשירים דיגיטליים אמינים, גבוהים.

בחירה וספקטיבה

בחירת הרכיבים הנכונים היא ההחלטה הראשונה והקריונית ביותר של עיצוב.מעבר לקביעת מינימום וקצב הדגימה, מהנדסים חייבים להעריך דמויות רעש, לינאריות, עיוות הרמוני מוחלט (THD), ויציבות ארוכת טווח. עבור ADCs, oversampling ו sigma-delta ארכיטקטורות מציעים משאבים גבוהים (24 סיביות ומעלה) עם רעש מובנה בעיצוב DAC, מכפיל מתח נמוך יותר (Fic) ו-Factericial) יש לעתים קרובות פחות חומרים אלקטרוניים סטנדרטיים).

עיבוד אותות מתקדם

עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) הוא כלי רב עוצמה עבור הפקת מדידות מדויקות מהנתונים הגולמיים רועשים.טכניקות נפוצות כוללות:

• (FLT:0)Digital filtering:FLT:1evolve Moving ממוצע, החציוני ופילטרים נמוכים של FIR / IIR מסירים רעש מחוץ לפס מבלי להציג סחף אנלוגי.
• (ב) ⁇ :0) ⁇ ותיקון: 1 (בשם ⁇ ) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• אלגוריתמי תיקון:0 (Errorתיקון אלגוריתמים: FLT:1 טבלאות ותיקון פולינומי לפצות על אי-לינאריות ADC ולהשיג סחף.
• (FLT:0) סינון מסננים: 1FLT:1, קלמן מסננים או לפחות ריבועים (LMS) לעקוב אחר אלגוריתמים וביטול התערבות של זמן.

יישום על FPGAs מאפשר עיבוד חסכוני, דטרמיוני שקשה להשיג עם microcontrollers קונבנציונלי.לדוגמה, מנעול דיגיטלי מואץ ב FPGA יכול להשיג טווח דינמי העולה על 120 dB.

עיצוב אספקת חשמל Robust Power Supply Design

ארכיטקטורת אספקת חשמל חזקה מפרידה בין רכבות דיגיטליות מתקדמות ממסילות אנלוגיות רגישות.כל רכבת מסונן על ידי קזק של הרגולטורים LDO עם PSRR מתאים, זה נפוץ להשתמש ferrite beads בסדרה עם קווי אספקה כדי למנוע קידוד גבוה, וכדי להבטיח כיאות קרמיקה נמוכה בעומס.

טכניקות ניהול נמרץ

שליטה על הסביבה התרמית חיונית להשגת מדידות חוזרות ונשנות.מעצבים מעסיקים:

• (FLT:0) בידוד הירומאלי: 1) הפרדה פיזית של מרכיבים המייצרים חום (מעבדים, FPGAs, הרגולטורים כוח) מסעיפים אנלוגיים מדויקים.זה עשוי לכלול שימוש ב- PCB נפרדים עם מחסום תרמי או תנור חום ייעודי וחובב.
• (FLT:0) פיצויים קדמוניים: חיישנים של טמפרטורה 1:1 להציב ליד רכיבים קריטיים (הההציונות, ADCs) להאכיל נתוני תיקון למעבד הדיגיטלי, החל ברווח בזמן אמת / שינויים.
• (FLT:0) מחסנים ממוחזרים: 1FLT:1 תנור קטן מבוקר טמפרטורה (דומה ל- OCXO) יכול לייצב את הסביבה עבור הפניות מתח ואוסלוטורים קריסטלים, הפחתת סחף ל-0.10 ppm/ ° C.
• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

המונחים: PCBout and Grounding

הפריסה הגופנית חשובה בדיוק כמו כללי המפתח עבור עיצובים בעלי עדיפות גבוהה כוללים:

• השתמש במטוס קרקע מוצק, ללא הפרעה תחת סעיפים אנלוגיים; להימנע מפיצול מטוסים אלא אם כן הכרחי לחלוטין, ואם פיצול, גשר רק תחת הממירים עם עקבות צרים.
• מניחים עקבות אנלוגיות רגישות קצרות ככל האפשר ומרחיקות מקווים דיגיטליים מהירים (שעון, אוטובוסים של נתונים).
• השתמש טבעות שמירה וכוכבות מעומקות הפניה ובבי קלט כדי למנוע זרמי דליפת.
• יישום מדויק: 100 nF בתוספת 10 מיקרוF לכל קופה, ממוקם קרוב ככל האפשר ל- IC.
• אותות מהירים מהירים כמו פסליין או מיקרו-סטריפ עם אימפולס מבוקר כדי למזער השתקפות ו- EMI.

התייחסות מצוינת לעיצוב PCB במערכות בעלות חתימה מעורבת היא מדריך התקנים (FLT:0) אנרכיים על פריסת PCB עבור מערכות בעלות חתימה מעורבת (FLT:1).

המונחים: clarbration and Testing

אין עיצוב שלם ללא הליך קליאה קפדני.כלי עדיפות כוללים בדרך כלל בנוי-עצמי (BIST) באמצעות מקורות התייחסות ידועים. במהלך הייצור, כל יחידה עוברת קלמנט רב-נקודות על פני טמפרטורה ומתח. משככי החריצים מאוחסנים בזיכרון לא-vollele. בנוסף, שחזור תקופתי נגד סטנדרטים ראשוניים (למשל, באמצעות דיוקים לטווח ארוך, לחץ דם ארוך), כולל זיכרון נגד תזמון ארוך, לחץ ארוך, וקצבי ארוך, כגון תזמון ארוך טווח, לחץ דם ארוך, לחץ ארוך, לחץ דם ארוך).

טכנולוגיות מתפתחות ב High-Precision Electronics

התחום מתפתח במהירות, מונע על ידי התקדמות בחומרים למחצה, אינטגרציה וחיישנים המבוססים על פיזיקה חדשנית.טכנולוגיות אלה מאפשרות יכולות מדידה שנחשבו בעבר מדע בדיוני.

FPGAs ו-Real-Time Processing

מערך השערים הניתנים לחיזוי שדה (FPGAs) הפך לגורם מרכזי במכשירים בעלי ערך גבוה מכיוון שהם מאפשרים למהנדסים ליישם מסננים דיגיטליים מותאמים אישית, מעכבי נתונים, ולשלוט בלוגיקה עם נטיות ⁇ סטית. המודרנית FPGAs משלבת פרוסות DSP קשיחות, אלגוריתמים מהירים יותר (עבור חיבור ל- ADCs עם JES204B), ואפילו מעבדים משובצים עבור אלגוריתמים אמיתיים של אלגוריתמים כגון אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים.

אולטרה-Low-Noise Amplifiers

ההתפתחויות האחרונות בעיצוב מגבר נמוך (LNA) דחפו רעש מתח מתח מתחת 0.5 nV / ⁇ Hz עם רוחב פס מעל 1 GHz. אלה LNAs לעתים קרובות להשתמש bi קוטבים טרנסיסטורים (BJT) עם זרמי הטיה אופטימיזציה או תהליכי CMOS מתקדמים עם שכבות קומפקטיות ילידים.

חיישן קוונטי

חיישנים מבוססי קוונטים מנצלים תופעות כגון סופרפוזיציה, סבך, ומנהרה קוונטית להשגת רגישות יוצאת דופן.

• (FLT:0) ניהול מכשירים של התערבות קוונטית (SQUIDs): 1FLT משמש למגנטומטריה עם רזולוציה של העובר.
• (ב) מרכזי יהלומים:0) ניטראטגן-vacancy (NV): FLT:1 Enable nanoscale מגנטי וטמפרטורות רגישות.
• (ב) ⁇ :0) , אורכו של ה[[1924]]: [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]
• (ב) ,0) אפקט האולם (QHE) מכשירים: ההרחבה: ⁇ FLT 1 מספקת סטנדרטים ראשוניים למדידת התנגדות.

חיישנים אלה דורשים אלקטרוניקה דיגיטלית מיוחדת לקריאה, משוב ושליטה.לדוגמה, מערכת קריאה SQUID צריכה לולאות עם הסרת שומן נמוך ורזולוציה גבוהה DACs עבור משוב.

Cryogenic Electronics

אלקטרוניקה הפעלה בטמפרטורות Cryogenic (be 77 K) להפחית רעש תרמי ומשפר את הניידות, המאפשר רעש נמוך יותר ומהירות גבוהה יותר. Cryogenic CMOS (cryo-CMOS) וסיליקון-germanium (SiGe) טכנולוגיות BCMOS משמשים כיום ביישומים כמו גלאי מחשוב קוונטי (שם טמפרטורות קווביט הן בערך 10 mK Challenges) כולל תכנון עבור כוח נמוך (ל-to-עצמי), למנוע שינויים משמעותיים בטמפרטורה גבוהה יותר, ו-DC חוזרת על ידי שימוש בטמפרטורות יעילות, ו-ידי שימושיתיקים, ו-ידי שימוש בטמפרטורה גבוהה יותר, ו-ידי שימוש בטמפרטורות מהירות גבוהה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כדי להבטיח מספר פונקציות קבוע, כדי להבטיח כימותרפיסטציה, כאשר הם סביב 10 mK מאתגרות, 000 חזרות, 000 חזרות, כאשר הם סביב 10 mK אתגרים חוזרים על ידי פונקציות (כוללים, כדי למנוע מוליכים למחצה, 000 חזרות, 000, 000 חזרות, 000 חזרות, 000, 000, כדי למנוע מוליכים למחצה, 000, 000, 000 חזרות, 000, 000, 000 חוזר על ידי פונקציות טמפרטורה, 000 חזרות, כדי למנוע מוליכים מחדש,

phonics

חיישנים אופטיים (למשל, אינטרפרמטרים, ספקטרום) משולבים יותר ויותר עם אלקטרוניקה על שבב יחיד.סיליקון תצלומים פלטפורמות משלבות מודטים, מודטורים, ו photodetectors עם CMOS במהירות גבוהה CMOS אלקטרוניקה.זה מאפשר אותות קומפקטיים, כוח נמוך, כלים יציבים מאוד עבור יישומים החל מ LARID כדי קוהרנטיות לmography (OCT מהיר חייב ללכוד נתונים מדויקים, לחץ דם גבוה, לחץ דם גבוה, לחץ דם גבוה, לחץ דם גבוה, או סטנדרטי.

מחקרים ויישומים מעשיים

כדי להמחיש את העקרונות שנדונו, כדאי לבחון כיצד אסטרטגיות עיצוב אלה מתאחדות בכלים מדעיים אמיתיים.

ספקטרוסקופיה

ב-Raman או Fourier-transform אינפרא אדום (FT-IR) spectroscopy, הקצה הקדמי האנלוגי חייב לזהות אותות אופטיים חלשים מאוד (sub-picoוואט) עם טווח דינמי גבוה. עיצוב טיפוסי משתמש צינור פוטומנדרייה (PMT) או אות תמונה אלבנית (APD) ואחריו מגבר חובה עם 1 מתחת ל-FA / ADC יש לעתים קרובות אותות ספציפיים של גלאיטמין 1FPN.

גילוי חלקיקים

בניסויים בפיסיקה באנרגיה גבוהה (למשל, ב CERN או עבור גלאי צילום קוסמיים), יש לקרוא מיליוני ערוצי חיישן עם תזמון תת-שנתיים.האלקטרוניקה חייבת לטפל בשיעורי נתונים גבוהים מאוד (עשרות של Gbps) תוך שמירה על רעש נמוך וכוח נמוך.העיצוב משתמש ב- ADCs מהירות גבוהה (עד 10 GSPS בדגימות מסוימות), FAs for ap for aducation for aducation for aments in amedias) ו-outings (מתאים ל-Fireative) רק עבור אינטגרציה אלקטרונים (אך ורק ל-Fireatives) הם לעתים קרובות.

שעונים אטומיים

שעונים אטומיים, כגון ציום או שפיפות מזרקות פשתן, דורשים את אלקטרוניקה התזמון המדויק ביותר שפותח אי פעם.לאות הבקרה כרוכות לנעול אוסטרטור מקומי כדי מעבר היפרפין של אטום.השלב הדיגיטלי חייב להיות תזמון על סדר של מעצבי בקרה 1 עד 2.

מסקנה

תכנון אלקטרוניקה דיגיטלית עבור מכשירים מדעיים בעלי ביצועים גבוהים הוא משמעת תובענית אך מאוד מתגמל.זה דורש הבנה עמוקה של מקורות רעש, מגבלות תזמון, התנהגות רכיב, ודינמיקה תרמית. על ידי שימוש בבחירה של רכיב זה, עיבוד אותות מתקדמים, כוח ועיצוב פריסה, ומינוף טכנולוגיות מתפתחות כמו FPGAs, חיישני הקוונטים, ואלקטרוניקה, מהנדסים יכולים לבנות את הגבולות של יכולת מדידה, להמשיך להתפתח על ידי טכנולוגיות מתקדמות לטכנולוגיות מתמטיות, הן טכנולוגיות מתקדמות יותר, החלות, הן לביקושים, הן לטכנולוגיות מתמטיות יותר, הן לטכנולוגיות מתמטיות, הן לטכנולוגיות מתמטיות, הן לטכנולוגיות מתמטיות, הן לטכנולוגיות מתמטיות, הן לטכנולוגיות מתמטיות, הן לטכנולוגיות מתמטיות יותר, הן לטכנולוגיות מתמטיות, הן לטכנולוגיות מתמטיות יותר, לטכנולוגיות מתמטיות, הן לטכנולוגיות מתמטיות, אלקטרוניקה, הן לטכנולוגיות מתמטיות, אלקטרוניקה, הן לטכנולוגיות מתמטיות, הן טכנולוגיות מתקדמות יותר, אלקטרוניקה, הן טכנולוגיות מתקדמות.