מערכות חיישן מודרני ומיזוג אותות דורשים ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCsfunction) שעושים יותר מאשר פשוט דיגיטציה רמות מתח. כמו הגבולות בין חישה, מיזוג, עיבוד ממשיכים לטשטש, מהנדסים דורשים יותר ויותר מודולים ADC פונקציונליים המסוגלים לטפל סוגים שונים של אותות, ביצוע מראש בזמן אמת, והתאמה לתנאים סביבתיים שונים.

מדוע מודולים ADC הם חיוניים

ההתפשטות של חיישנים חכמים באוטומציה תעשייתית, אבחון רפואי, כלי רכב אוטונומיים, ואת האינטרנט של דברים (IoT) יצרה צורך ב- ADCs שיכול להתמודד יותר מתחום אות אחד.עיצובים מסורתיים נדרשים לעתים קרובות שלבים נפרדים בתנאי אות עבור כל סוג חיישן, המוביל להגדלת שטח לוח, ספירה רכיב, וזמן הפיתוח.

יתרונות מרכזיים כוללים:

  • (FLT:0) היפוך ההיסטריה: FLT:1 , מודולים אלה מקבלים מתח, הנוכחי, התנגדות, קיבולי, ופלט חיישן טמפרטורה, לעתים קרובות עם רווח וסינון .לדוגמה, מודול יחיד יכול לקרוא מתח נמוך של thermocouple, פלט גשר של מד מתח, ואת אות נוכחית של חרטה ללא רכיבים חיצוניים.
  • (FLT:0) הפחתה של הדפסה: FLT:1 integrating פונקציות כגון מגברי רווח מתכנתים (PGAs), הפניות מתח, מספרקסרים, ופילטרים דיגיטליים לתוך חבילה אחת מכווץ באופן משמעותי את הצעת החומרים (BOM) ואת האזור PCB.זה קריטי ביישומים מאומנים בחלל כמו צגים בריאותיים או חיישן מבוזר.
  • (FLT:0) דיוק מדידה של מדידה: FLT:1 על ידי הפניית אות, ADC רב פונקציונלי למזער איסוף רעש חיצוני, להפחית את ההשפעות parasitic של ריצות עקבות ארוכות, ומאפשרת שגרות על שבב calibration כי לפצות על תחילת, רווח, וטמפרטורות סחף.
  • (FLT:0Simplified system design:FLT:1 מהנדסים יכולים לטפל במודול כ"קופסא שחורה" המספקת נתונים דיגיטליים נקיים, מאיצה מחזורי פיתוח וצמצום הסיכון לשגיאות עיצוב אנלוגיות.

יתרונות אלה מניעים אימוץ על פני מגזרים רבים, מחקלאות מדויקת ועד למרחב.כפי שהצורך באינטגרציה גבוהה יותר ובאינטליגנציה בקצה החיישן גדל, מודולים ADC פונקציונליים רבים יהפכו לבחירה ברירת המחדל ולא מרכיב מיוחד.

המונחים: Multi-Functional ADCמודולs

יצירת מודול ADC תכליתי אשר מבצע באופן אמין על פני סוגים שונים של חיישן דורש תשומת לב זהירה למספר פרמטרים תלותיים.התתתות הבאות לשבור את שיקולי העיצוב הקריטיים ביותר.

Analog Input אדריכלות וגמישות

שלב הקלט חייב לתמוך בתצורה מרובות: חד-קצה, שונה, או פסאודו-שונה. רבים מודרניים ADCs מציעים חזית מרובותxer שיכול להיות מתוכנן לקבל עד 16 או יותר קלטות, המאפשר מודול יחיד לרצף דרך חיישנים שונים. עם זאת, ביצוע הפניה של מספרxer על-resistance וזריקת מטען יכול de Performance, במיוחד עבור מקורות עתירי גבוה, כולל אינדקס של AGAFextextextatives:

בנוסף, היכולת להתמודד עם שני מתח ואת אותות נוכחיים היא חיונית.המחשב הנוכחי ADCs, לעתים קרובות מבוסס על התנגדות במסלול משוב של מגבר טרנססרנס, יכול באופן ישיר לדיגיטלי אותות מ photodetectors או 4-20 מ"א משדרים תעשייתיים. חלק מהמודולים גם משלבים מקורות ציטוטים הניתנים לתוכנה (נוכחיים או מתח) למניעה של חיישנים כמו RTDsDs או רבי עוצמה.

החלטה, מהירות וטווח המסחר הדינמית

בחירת ההחלטה הנכונה וקצב הדגימה הוא פעולה איזון. High-resolution ADCs (20-24 ביטים) הם אידיאליים עבור חיישנים נמוכים, גבוה גבוה כגון תאי עומס או בדיקות טמפרטורה, אבל הם בדרך כלל לסחור במהירות. ניגודיות, במהירות גבוהה ADCs (10-14 סיביות, עשרות MSPS) משמש יישומים כגון ניטור או פיקוח קוליטיסציה לעתים קרובות לרישום יעיל של סגסוגת בודדת (a) דינמית (ample alexm) ⁇ texa) ⁇ tive alex-ample a ⁇ temi) ⁇ temtemtem) ⁇ temi) ⁇ temtemtemample (לעתים קרובות) ⁇ temtemtexample a {ample a {-ample) ⁇ temtemtexample) ⁇ tive ⁇ texample (ample a {-ample (לעתים קרובות) ⁇ temample a {-ample) ⁇ temtemtexample a ⁇ texample a {-ample (ample) ⁇ ts) ⁇ temtemtemts) ⁇ ts

ביצועים רעש הוא חיוני באותה מידה.מעצבים חייבים לשקול את המספר היעיל של ביטים (ENOB) בתנאים בעולם האמיתי, לא רק את ההחלטה נומינאלית. על-chip פילטרים דיגיטליים, כגון מסננים חטאים או מסננים נמוכים, ניתן לכוון כדי ליישב זמן לדחיית רעש.

ניהול חשמל ומבצע נמוך

ביישומים המופעלים על ידי סוללות או אנרגיה-harvesting, צריכת הכוח של ADC משפיעה ישירות על חיי המערכת.מודולים רב תפקודיים עשויים לכלול מצבי כוח מרובים, דגימה אוטונומית עם גישה זיכרון ישירה (DMA), וספק דינמי כוח הגדלה המאמת את זרם ההטיות בהתבסס על קצב הדגימה.

ניהול תרמי הוא גם שיקול כאשר שילוב של אבני אנלוגיות ביצועים גבוהים ותהליכים לעיבוד דיגיטלי. שעון תצוגה פרוצה או מחזורי כיור תקופתיים יכול למנוע סחף תרמי להשפיע על דיוק מדידה.

שילוב בין-פני ודיגיטל

ADCs רב פונקציונליות מודרנית אינם רק ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים; הם מערכות רכישת נתונים שלמות.הם כוללים ממשקים דיגיטליים ייעודיים (SPI, I2C, I2S, או מקבילה) ולעתים קרובות משלבים לוגיקה שליטה עבור מספרxer ריצוף, הגדרות רווח תוכנה, ופורמט נתונים. תמיכה עבור מודולים רבים על אוטובוס אחד הוא נפוץ במערךים מרובים של ריבוי חשונות.

יתר על כן, זיכרון לא-וולטי מוטבע יכול לאחסן משככי קלוריות הגדרות תצורה, המאפשר מודול לפעול באופן אוטונומי. כמה מכשירים מתקדמים אפילו לכלול הליבה מיקרובקר קטן עבור סינון בזמן אמת, מעורר או averaging - הסמיך את הקו בין ADC לבין מרכז חיישן משולב.

מגמות מפתח וטכנולוגיות שמאחורי ADCs Multi-Functional ADCs

מספר טכניקות עיצוב מעגלים וטכנולוגיות Semiconductor מאפשרות את המודולים האלה.הבנת בלוקים אלה הבניין מסייע למהנדסים לבחור את המכשיר הנכון ולהעריך את החוזקות והמגבלות שלו.

Sigma-Delta ( ⁇ - ⁇ ) Modulators

⁇ - ⁇ ADCs הם עמוד השדרה של מודולים רב תפקודיים ברזולוציה גבוהה, במיוחד עבור יישומים נמוכים ⁇ . הם oversample את אות קלט על ידי פעמים רבות קצב Nyquist ועצב רעש קוונטי בתדרים גבוהים יותר, אשר ניתן להסיר על ידי סריקה דיגיטלית decimation מסנן. ⁇ - ⁇ המודרנית ⁇ - ⁇ - ⁇ - ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

קבל Amplifiers (PGAs)

PGA הוא חיוני לטיפול בחיישנים עם רמות אותות שונים מאוד - מ אותות ברמה מיקרו-וולקט מתרמוקופסים לכמה וולט מגובה רב עוצמה. PGAs בדרך כלל מציעים רווחים מ 1 עד 128 ומעלה, עם ירידה נמוכה סחף ורעש. in-functional ADCs, PGA הוא לעתים קרובות משולב עם ⁇ - ⁇ - Modulator כדי לייעל את המספר הכולל של מעצב.

הפניות פנימיות ומקורות

המרה מהירה תלויה בהתייחסות מתח יציבה.פניות פנימיות כי הם מפורצים וטמפרטורה תואמים (למשל, צגפ הפניות עם מעגלים חמים על שבב) מציעים פשטות. עם זאת, עבור הדיוק הגבוה ביותר, מודולים רבים לקבל התייחסות חיצונית.חלק כוללים גם מקורות נוכחיים (למשל, 1 מ"א או 200 μA) כדי לנהוג חיישנים מנוגדים, לפשט את היחס.

מסננים של Switched-Capacitor ואנטי-Aliasing

כדי למנוע זיהוי, קלט אנלוגי של ADC חייב להיות מוגבל רוחב פס לפני המרה. כמה מודולים רב פונקציונליים לשלב מסננים מעבורת-capacitor המספקים תדירות חיתוך תוכניתי.פילטרים אלה, בשילוב עם decimation דיגיטלית, מציעים פתרון נגד-aliasing שלם ללא רכיבים חיצוניים.

עיבוד אותות דיגיטליים (DSP)

מעבר לסנן פשוט, מודולים רבים כוללים כעת שגרות קושחה עבור לינאריזציה (למשל, עבור thermocouple non-Liities), חישוב RMS, או חיישן סחף פיצוי.זה עיבוד "החדש" מצמצם את המיקרובקר הראשי ולהפחית את תעבורת אוטובוס נתונים.לדוגמה, מודול ADC יכול לייצר טמפרטורה ישירות במדרגות צלזיוס, או קריאה במשקל בק"ג, לאחר קלבר.

יישומים של מודולים ADC Multi-Functional ב- Key Industries

הגמישות של המודולים האלה הופכת אותם לתאים למגוון רחב של מערכות בעולם האמיתי.

ניהול תהליכים תעשייתיים ומפעל אוטומציה

בקרי לוגיקה מעודכנים (PLCs) ומערכות בקרה מבוזרות, ADCs רב פונקציונליות המאפשר מודולים קלט אנלוגיים אוניברסליים לקבל מתח, נוכחי, RTD, וסימנים תרמוקופיל ללא שינוי חומרה.מודולים אלה כוללים לעתים קרובות בידוד מופעל לולאה, אבחון (למשל, זיהוי פתוח), וציות לסטנדרטים כגון IEC 61-9 (מרחק I / O).

מכשירים רפואיים ולבוש

מערכות ניטור של מטופלים, כגון אלקטרוקרדיוגרם (ECG) ו- הדופק oximeters, דורשות ADCs ברזולוציה גבוהה עם רעש נמוך מאוד ואת היכולת לדחות פריטים תנועה. מודולים רב תפקודיים שנועדו אותות ביופוטנטיים לעתים קרובות כוללים אימפולס גבוה PGA, לולאה DC servo כדי לחסום אלקטרודה, ופילטרים של להקה.

אוויר והגנת

בסביבה קשה עם טמפרטורות קיצוניות ורטט, ADCs רב תפקודי המשלבים דחיסות עצמית, אבחון, ו אדמוניות הם חיוניים.הם לפקח על טמפרטורות מנוע, חיישנים לחץ, ובריאות מבנית. קרינת קרינה-רדודה (למשל, מרנסנס או אנלי התקנים אנליג) משמשים בטלמטארי לוויין.

רכב ורכב חשמלי (EVs)

EVs מודרניים מסתמכים על בידוד מדויק לניהול סוללות, ניטור לחץ צמיג, ושליטה מוטורית. Multi-functional ADCs שיכול להתמודד הן בבידוד גבוה (באמצעות בידוד גליוני גליוני שבב) ורגישות נוכחית מדויקת (באמצעות אפקט הול או שיטות shunt) הם מודולים קריטיים עם SPI או I2C מפשט את הקשר לרשת האוטובוסים של כלי הרכב יכול.

מוצרי חשמל חכמים ובית חכם

מתרמוסט חכם ועד שואבי אבק רובוטיים, ADCs רב פונקציונליים מאפשרים מגע רגיש, מדידה קלילה מזווית הסביבה, ניטור סביבתי.מודולים בעלות נמוכה עם ציטוט משולב וסינון מופחת את העלות הכוללת של המערכת תוך שמירה על דיוק נאות (12-16 ביטים). חלק מהמכשירים כוללים גם חיישן טמפרטורה על שבב עבור פיצוי של מדידות אחרות.

מגמות עתידיות: מה הבא עבור עיצוב ADC

מספר מגמות טכנולוגיה מעצבות את הדור הבא של מודולי ADC.

עיבוד אותות AI-Enhanced Signal

הוספת מאיץ רשת עצבית קטנה או מנוע עץ החלטה בתוך המודול ADC מאפשר הפחתה של נתונים אינטליגנטיים.לדוגמה, חיישן רטט תעשייתי יכול לזהות omas ורק לדווח על אירועים, הורדת תנועה באוטובוס וצריכת חשמל. Analog מכשירים ו- STMicroelectronics כבר מציעים "חכם" ADCs עם מיצוי תכונות בסיסיות.

3D אינטגרציה ומערכת-in-Package (SiP)

מספר רב של Stack מת - כגון ADC ברזולוציה גבוהה מת, מעבד דיגיטלי, חיישן MEMS - בחבילה אחת מפחיתה parasitics קישורים הדדית ומאפשר שילוב heterogeneous. גישה זו תאפשר מודולים קומפקטיים, רב חושיים אשר מטפלים בטמפרטורה, לחות, לחץ, ומדידות אינרטיות בו זמנית.

עיצובים אולטרה-Low-Power עבור אנרגיה

ההתקדמות בעיצוב מעגלים תת-קרקעי ולוגיקה סינכרונית דוחפת צריכת החשמל של ADC למגוון nanoוואט. בשילוב עם מקורות אנרגיה-הארבטינג (תאים סולאריים אקטיביסטים או גנרטורים תרמואלקטריים), מודולים אלה יאפשרו חיישנים אוטונומיים אמיתיים עבור יישומי IoT, הדורשים תחליף סוללות במשך שנים.

רמות גבוהות יותר של יכולת תכנית

מערך אנלוגיים (FPAAs) ו- ADCs בעל יכולת תצורה מלאה מאפשרים למשתמשים הקצה להגדיר את שרשרת האותות -gain, מסנן, שיעור הדגימה, והפניה - באמצעות תוכנה. גמישות זו מפחיתה את הצורך בגרסאות חומרה מרובות וסימולציות שרשרת האספקה של טקסס מכשירים.

מסקנה

עיצוב מודולים ADC פונקציונליים עבור חיישן משולב ומערכות מיזוג אותות הוא אתגר רב תחומי כי משתרע עיצוב מעגלים אנלוגי, עיבוד אותות דיגיטליים, ארכיטקטורת המערכת וידע יישומים.המודולים המצליחים ביותר משלבים מבני קלט גמישים, ביצועים חזקים על פני טמפרטורה ורעש, צריכת חשמל נמוכה, וממשקים דיגיטליים אינטואיטיביים לענות על ידי מערכות חיישן חכם, קטן ויעיל יותר מאיץ - על ידי תעשייה 4.0, ניידות חשמלית, ורפואה מותאמים אישית - את התפקיד של מהנדסים מחוברים יותר.