מבוא

ניסויים מדעיים בקנה מידה גדול מציבים דרישות יוצאות דופן במערכות רכישת נתונים.בין אם החוקרים עוקבים אחר התנגשויות חלקיקים תת-אטומיים, מיפוי פליטות רדיו קוסמיות, או הקלטה של פעילות עצבית ברזולוציה סלולרית, הם דורשים מערכות אנלוגיות-לדיגיטליות (ADC) שיכולות ללכוד אותות עם דיוק גבוה ומהירות גבוהה על פני ערוצים רבים במקביל.הפיתוח של מערכות כאלה הפך לגורם קריטי לתגליות בפיסיקה, כגון , כגון שדות ביו-רפואיים, והנדסת נתונים ביולוגיים, והנדסתיים אחרים.

מערכות ADC מהירות גבוהה מאפשרות למדענים להתבונן בתופעות המתרחשות במיקרו-שניות או ננו-שניות, המרת אותות אנלוגיים ממערך של חיישנים לזרמי נתונים דיגיטליים לניתוח.כפי שמורכבות ניסיונית גדלה, כך לעשות את הדרישות לשיעורי דגימה, ספירת ערוצים, טווח דינמי, ודיוק סינכרוניזציה של מערכות אלה חייבים לאזן ביצועים כנגד מגבלות מעשיות כגון צריכת חשמל, טביעת רגל פיזית, ועלויות טכניות זו, ולחקור את האתגרים האסטרטגיים.

תפקיד ה- Multi-Channel ADC Systems ב-Digital Discovery

ניסויים מדעיים מודרניים לעתים קרובות להסתמך על רשתות חיישן מבוזרות המייצרות אותות אנלוגיים במקביל. ADCs במהירות גבוהה מאפשר דיגיטציה מהירה של אותות אלה, אשר חיוני בעת לימוד אירועים טרנספורמטיביים או תופעות אנתרופולוגיות גבוהות. בפיסיקה חלקיקים, למשל, אלמנטים גלאי לייצר אותות קבועים רק ננו-שניים, ולכידת אירועים אלה דורשות שיעורי דגימה בטווח ה-per-II.

הערך של יכולות מרובות ערוצים משתרע מעבר למקבילות פשוטות.כאשר אותות מחיישנים שונים הם דיגיטציה עם תזמון מבוקר הדוק, החוקרים יכולים ליישם טכניקות מקבילות כדי לחלץ מידע שלא ניתן לגשת מערוצים בודדים.באסטרונומיה רדיו, טלסקופים מערכיים משלבים אותות מאנטנות רבות כדי ליצור תמונות ברזולוציה גבוהה.ביישומים ביו-רפואיים, מערכות הקלטה עצביות מתואמים פעילות על פני אוכלוסיות של נוירונים כדי להבין את הדינמיקה של כל אחד בעולם, כמו ניתוח פיזיקלימי, כל אחד, כמו גם את הממשקים.

הביקוש לביצועים גבוהים יותר ממשיך להסלים.ניסויים כגון אלה ב- CERN הגדול של Hadron Collider מייצרים קטבים של נתונים לשנייה, המחייבים מערכות ADC עם רוחב פס קיצוני ויכולות עיבוד. בדומה, גלאי גלאי גל הכבידה הדור הבא ו- X-ray חינם-electron לייזרים לדחוף את הגבולות של מהירות דגימה ודינמיקה.

אתגרים טכניים מרכזיים בפיתוח מערכת ADC

פיתוח מערכות ADC במהירות גבוהה כרוך בהנעה של מערך אתגרים הנדסיים מקושרים.כל החלטה עיצובית משפיעה על מספר פרמטרים של מערכת, הדורשת שינויים קפדניים של סחר כדי לעמוד בדרישות הניסוי.

שמירה על אינטגריטי אות בתדירות גבוהה

ככל שקצבי הדגימה עולים, אותות אנלוגיים הופכים רגישים יותר להשפלה מרעש, קרוסטור, וחוסר התאמה של חוסר התאמה.שמירת שלמות האות דורש תשומת לב ללוח מעגלים מודפס (PCB), מעקב הולם, חסימה מבוקרת, ומגן יעיל. אותות שונים משמש בדרך כלל כדי לדחות רעש משותף, בעוד שיטות זהירות ריצוף מסייע למזער את הקרקעות וחזור נתיבים של אנליזה נמוכה.

בשיעורי דגימה מעל כמה מאות מגה-מפרס לשנייה, אפילו טפילטיקות קטנות בבדי PCB או ממשקי המחבר יכולים להציג עיוות אותות משמעותי. מהנדסים לעתים קרובות מעסיקים מחסניות מרובות-שכבות עם מטוסים קרקעיים וכוח ייעודיים, יחד עם מיקום מרכיב זהיר כדי למזער את אורך העקב.סימשום כלים לניתוח זהה הפכו הכרחיים עבור אימות עיצובים לפני ייצור, במיוחד עבור מערכות עם ספירות סופר או 64.

ערוץ סינכרון

סינכרון בין ערוצים הוא חיוני עבור יישומים כי להסתמך על מערכות יחסים תזמון בין אותות. Skew בין ערוצים, אפילו ברמות תת-שנתיות, יכול לחדד את הדיוק של חישובי זמן של טיסה, מדידות בין-פרמטריות, או ניטור מיקום beam. achieving synSyncization הדוק דורש התפלגות שעון זהירה, עיכובים, ולעתים קרובות קלמנטציה למדידה ו- sual ssk.

מערכות מרובות ערוצים ADC משתמשות ברשת משותפת של התפלגות שעון המספקת שעון משותף לכל הערוצים.גישה זו דורשת תשומת לב ל-Jitter, המשפיעה ישירות על יחס האות-ל-אין (SNR) ומספר יעיל של ביטים (ENOB) שלב204-locked לולאות (PLLs) ועיכובים-Llocks) משמשים לניקוי אותות אופטיים כגון פרוטוקולי תיבות JDSDSEC.

ניהול נתונים באמצעותput ו- Bandwidth

מערכות מרובות ערוצים במהירות PCB לייצר נפח נתונים עצום.מערכת עם 64 ערוצים דגימה ב 1 GSPS עם 12 סיביות פתרון מייצרת שיעור נתונים גולמי של 96 גיגה-בייט לשנייה.ניהול זה באמצעות חישובים ללא יצירת צווארי בקבוק דורש תשומת לב זהירה לאדריכלות תעבורת נתונים.Serializer /deser (SerDes) ממשקים) כגון אלה המוגדרים על ידי משפחת JD204 דורשות בעיקר עבור אוטובוסים מקבילים של מקבילה 12.5 נקודות נתונים ולהפחית את רמות תמיכה של מקבילות ו-CDC.

בקצה המקבל, FPGAs עם תחזיות מהירות גבוהה משמשים בדרך כלל ללכוד ולעבד את זרמי הנתונים הנכנסים.מכשירים אלה יכולים לבצע הפחתה של נתונים בזמן אמת, דחיסה, ומיצוי תכונה לפני העברת תוצאות למנגנוני אחסון או ניתוח.טכניקות כגון אפס-סכסון, שבו רק ערוצים מעל סף מועסקים, להפחית את נפח הנתונים בניסויים ספא-אפילוט.

ניהול כוח ו-Thermal Management

ADCs במהירות גבוהה ועיגולים קשורים לצרוך כוח משמעותי. A יחיד 12 סיביות פועל במספר GSPS עשוי לנתק כמה וואט, מערכת עם מאות ערוצים יכול בקלות להגיע צריכת חשמל ברמה של קילווואט. ניהול פיזור חום הופך מעצמת עיצוב, במיוחד במתקני ניסויים עם יכולת קירור מוגבלת. מהנדסים חייבים לאזן דרישות ביצועים עם תקציב, בחירת רכיבי כוח חיובי וספקי כוח יישום יעיל.

אסטרטגיות ניהול תרמי כוללות כיור חום, קירור אוויר מאולץ, לולאות קירור נוזלי, ומיקום זהיר של רכיבים כוח גבוה כדי למנוע כתמים חמים. כמה ניסויים, כגון אלה במצפה מבוססי חלל, לכפות מגבלות כוח קפדניות שמניעות את הבחירה של טכנולוגיות כוח נמוך ADC ומבצע ממונע. Advances in CMOS תהליך טכנולוגיה להמשיך לשפר את היעילות של תפקודים הליבה, המאפשרים את אותה עוצמה בתוך המעטפת כוח.

אדריכלות ועיצוב

האדריכלות של מערכת ADC רב ערוצים חייבת לטפל בשרשרת האות המלאה של חיישן לתפוקה דיגיטלית.החלטות שהתקבלו ברמה זו לקבוע את ביצועי המערכת, הדרגות והתחזוקה.

עיצוב החזית של ADC

התנאים האנלוגיים הקדמיים את אות החיישן עבור דיגיטציה. Components כוללים שלבים הדגימה, סינון, ומניעה התאמה רשתות. עבור מערכות מרובות ערוצים, עיצובים הקדמיים חייבים להיות משוכפלים על פני ערוצים תוך שמירה על עקביות ברווח, מסט ופס רוחב פס.תוכנית רווח ניתן למני (PGAs) לאפשר התאמה דינמית כדי להתאים את אותות החלפת אות, בעוד ביצועים שונים עם מעצימות עם מרעישת רעשים משותפים.

מסננים נגד-aliasing נדרשים להסיר רכיבים תדירות מעל קצב Nyquist לפני הדגימה. עיצוב מסנן כרוך במסחר בין אטומנט פס להפסיק, שטוחות פס, ואת לינאריות שלב.עבור מערכות עם דרישות טווח דינמי גבוה, אלפטי או צ'ביקוב מסננים עשויים לשמש, בעוד עיצובים פשוטים יותר של אבל יותר מספיק עבור יישומים שלב זה פחות קריטי.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

מערכת המשנה של השעון היא לעתים קרובות החלק הקריטי ביותר של מערכת ADC במהירות גבוהה. Jitter על השעון המעשן מתרגמת ישירות לרעש על האות הדיגיטלי, הגבלת SNR האפשרי עבור 12 סיביות ADC sampling ב 1 GSPS, הג'יטר הכולל מאפשר להיות על הסדר של כמה מאות שניות.

רשתות הפצה של השעון בדרך כלל להשתמש אות שונה על עקבות עכבות תואמים.חלוקה ייעודית של שעון עם תוספת נמוכה Jitter זמינים מ ספקים מרובים.עבור המערכות התובעניות ביותר, הפצת שעון אופטי מבטלת בעיות עם רעש חשמלי והבדלים אפשריים קרקעיים. תקן JESD204C כולל תמיכה עבור לוח זמנים עצלות ושעון הרמוני, אשר מפשט סינתזה במערכות מרובות-ד.

עיבוד נתונים מבוסס FPGA

מערכות ADC מודרניות מסתמכות רבות על FPGAs כדי לנהל לכידת נתונים, עיבוד וסטרימינג. FPGAs מציעים את יכולת העיבוד המקבילה הנדרשת כדי לטפל בנתונים מערוצים רבים בו זמנית בקצב של משימות עיבוד משותף כוללים קידוד דיגיטלי, סינון, ניכוי, והתאמה ערוצים.עבור ניסויים הדורשים הפעלת בזמן אמת, FPGAs יכול ליישם אלגוריתמים מורכבים כי בחירת אירועים של עניין מבוסס על פני ערוצים מרובים.

הבחירה של FPGA משפיעה על יכולת מערכת ומורכבות עיצוב.מכשירים עם טרנסג'נדרים מהירים משולבים תומכים בקשר ישיר ל-JESD204C ADCs, בעוד שמערךים לוגיים גדולים מתאימים צינורות עיבוד מורכבים.חלק FPGAs כוללים עיבוד אותות דיגיטליים קשיח (DSP) בלוקים אשר מאיצים פעולות קידוד והתאמה. עבור מערכות הדורשות עיבוד הסתגלות, שחזור חלקי מאפשר FPGA בעוד מערכת הפעלה מתמשכת.

אופטימיזציה וביצועים

מערכות Real-world ADC מתפתלות מהתנהגות אידיאלית בשל סובלנות רכיב, סחף טמפרטורה ולא ליניאריות. פרוצדורות קלייברציה נדרשות כדי להשיג את הביצועים המפורטים בכל הערוצים.צעדי קליברציה טיפוסיים כוללים תיקון התחלה, התאמה, פיצוי עבור אי-לינאריות כגון לא לינאריות בלתי-אינטגראלית (INL) ולא ליניאריות שונה (DNL) עבור מערכות מרובות-ערוציות, רווח בין-ערוצי ורווחים, במיוחד עבור אותות משותפים, וקודמים, כמו גם עבור אותות משותפים, אשר יש לשלב יישומים מרובים, במיוחד.

ניתן לבצע את ה-CDC במהלך הרכב המערכת או באופן דינמי במהלך המבצע.Build-in-test (BIST) תכונות בחלק מהמכשירים ADC לספק אותות התייחסות על שבב ומצבים אבחון שפשטו את ה calibration ברמת המערכת. חיישנים טמפרטורה להציב ליד ADC מכשירים מאפשרים פיצוי בזמן אמת עבור הדיוק הגבוה ביותר, רצף קלמנטציה כי מזרקת אותות ידועים אותות אנלוגיים המאפשרים מערכת חזיתית מקיפה.

אופטימיזציה ביצועים גם כרוך בבחירת הפרמטרים התפעוליים המתאימים עבור התקנים ADC, כגון טווח מתח קלט, קצב הדגימה, ואת פורמט הנתונים פלט.סחר-offs בין החלטה ומהירות נשלטים על ידי ארכיטקטורת ADC.Piline ADCs מציעים איזון של מהירות ורזולוציה, בעוד הצלחה-approximation-register (SAR) ADCs לספק יעילות מצוינת במהירויות מתון-Time-interintercasteric דורשות מרובות כדי למנוע התאמה גבוהה יותר כדי להשיג דירוגים מתקדמים יותר, אך ורק כדי להשיג דירוגים מתקדמים יותר.

יישומים ב-Digital Disciplines

מערכות ADC מהירות גבוהה משמשות כעמוד השדרה של רכישת נתונים בתחומים מדעיים רבים.דרישות ספציפיות משתנות על ידי שדה, אבל הצורך הבסיסי של דיוק, מהירות ספירת ערוצים נשאר עקבי.

Particle Physics ו- High-Energy Colliders

ניסויים בפיסיקה חלקיקים במתקנים כגון CERN ו-Rmilab משתמשים במערך גלאי מסיבי כדי לעקוב אחר חלקיקים המיוצרים בהתנגשות. הגלאים האלה - כולל calorimeters, מעקב אחר תאים, וזמני של מערכות טיסה - כדי לעקוב אחר מיליוני אותות אנלוגיים שיש לדיגיטליים במהירות גבוהה.CMS ו- ATLAS בניסויים ב- ADC עם עשרות מיליוני ערוצי דגימת רקע מפורטים, וניסויים עבור ניתוחים מדויקים עבור בדיקות קרינה.

אסטרופיזיקה ואסטרונומיה רדיו

טלסקופים רדיו ללכוד אותות אלקטרומגנטיים חלשים ממקורות אסטרונומיים.כלי מודרני כגון Square קילמאטר Array (SKA) משתמשים באלפי אנטנה ואלמנטים מקלט, כל אחת ממערכות ADC המאכילות אותות מעל רוחב פס של מאות מגה-הרץ.מערכות אלה חייבות להשיג טווח דינמי גבוה כדי לזהות מקורות חלשים תוך דחיית התערבות של ממריצים ארציים.

Bioרפואית רכישת

מחקר ביו-רפואי מסתמך יותר ויותר על הקלטה של אותות חשמליים מרקמות חיים.מערכות הקלטה נילי עבור ממשקי מוח ומדעי המוח הבסיסיים משתמשים במערךים רב-אלקטרוניקה עם מאות או אלפי ערוצים.כל ערוץ מתעד אותות מתח מנוירונים בודדים בדרגות דגימה מספיקות כדי ללכוד פוטנציאל פעולה (בדרך כלל 20-40 kSPS לתעלים אלה הם נמוך יותר מאשר אלה בחלקיקים, ונדרשים בדיקה גופנית, כדי לשלב באופן ישיר של ביצועים נמוכים של תאים.

מגמות מתפתחות וכיוונים עתידיים

המסלול של פיתוח מערכת ADC מצביע על תצפיות ערוץ גבוהות יותר, שיפור יעילות האנרגיה, ושילוב עמוק יותר עם לוגיקה עיבוד.כמה מגמות מעצבות את הדור הבא של מערכות עבור ניסויים בקנה מידה גדול.

(FLT:0) מתקדם תהליך CMOS Nodes:cioFLT:1) המשך קנה מידה של טכנולוגיית CMOS מאפשר ADCs עם שיעורי דגימה גבוהים יותר וצריכת חשמל נמוכה יותר. FinFET ואדריכלות מתקדמות אחרות טרנסטור לשפר ביצועים אנלוגיים ולהפחית כוח דיגיטלי, ומאפשר יותר ערוצים ל- השבבים.

(FLT:0)Optical Data Transmission: FLT:1 כמו רוחב פס I / O הופך צוואר בקבוק, קישורים אופטיים מאומצים לתחבורה נתונים בתוך מערכות ADC. Silicon photonics ו transceivers אופטי משולב יכול להעביר נתונים במהירויות terabit על פני סיבים, חיסול בעיות עם הפרעות אלקטרומגנטיות וקרקעות בעתיד עשוי להשתמש בלוחות אופטיים המחברים ADC ישירות לעיבודים.

עיבוד למידה בזמן אמת: FLT: אינטגרציה של אלגוריתמי למידת מכונה לתוך צינורות עיבוד FPGA מאפשר ניתוח בזמן אמת של נתונים ADC. רשתות נילי יכול לזהות דפוסים, לזהות אנומליות, וחסחסחסחסם זרמי נתונים תוך שמירה על תוכן מידע.

(FLT:0) פתחה חומרה ועיצוב מודולרי: FIRLT:1) הקהילה המדעית מאמצת יותר ויותר פלטפורמות חומרה פתוחות לרכישת נתונים. תקנים כגון ארכיטקטורת מחשוב התקשורת (ATCA) ו- MicroTCA מספקים גורמים מודולריים עם כוכבי אחוריים מהירים, מפשטים את שילוב המערכת ואת יכולת הדרגתית.

מסקנה

פיתוח מערכות ADC מהירות גבוהה עבור ניסויים מדעיים בקנה מידה גדול דורש שליטה של עיצוב אנלוגי ודיגיטלי, יושרת אות, סינכרוניזציה וניהול נתונים.האתגרים הם משמעותיים, אבל התגמולים הם משמעותיים באותה מידה: מערכות אלה לשמש כבסיס עבור חלק מהחקירות המדעיות השאפתני ביותר שבוצעו אי פעם.כפי דרישות ניסיוניות להמשיך לגדול, התקדמות בטכנולוגיית ADC, עיבוד משולב, אדריכלות המערכת תדחוף את הגבולות של מהנדסים וטכנולוגיות מורכבות, אשר יהיו מסוגלות של חוקרים.