הקדמה: הצורך במהירות בשליטה בזמן אמת

בטכניקות רובוטיות מודרניות ואוטומציה תעשייתית, מערכות בקרה בזמן אמת מסתמכות על לולאות משוב שקרובות במיקרו-שניות או אפילו ננו-שניות.חיישנים למדידת מיקום, כוח, מומנט, או נוכחיות מייצרים אותות אנלוגיים שיש לדיגיטליים עם עיכוב מינימלי כדי למנוע הידרדרות או אובדן ביצועים.האנליג-ל-Digitaler (ADC) יושב בגבול בין העולם הפיזי לבין הבקר הדיגיטלי, וקצבי, וקצבי, יכול להפחית באופן ישיר של צמיגים של טרה-או-או-סוג של מערכות אחרות, אפילו יותר, אפילו יותר של רוחב פסטוריביות, אפילו.

ADCs נמוכה לא רק נוחות; הם דרישה בסיסית ליישומים כגון סרובוס כונן ישיר, ממשקים haptic, רובוטים כירורגיים, מכונות בחירה במהירות גבוהה ומיקום. מאמר זה חוקר את עקרונות העיצוב, סחר- offs, וטכנולוגיות מתפתחות המאפשרות ל- ADC לעקב בטווח של עשרות ננו השניות תוך שמירה על הדיוק והאמינות הנדרשת לייצור אוטומציה.

הבנה של ADCs נמוכה-Latency: מה באמת אומר הדיילת

ה- ADC הוא הזמן מהרגע בו דגימה אנלוגית נלכדת עד הרגע שבו ייצוגה הדיגיטלי זמין לבקר.

  • (ב) [15] , דחיית העיכוב (tFLT:1cioaph:2): ⁇ FLT 3: 3 הזמן בין פקודת הדגימה לבין הרגע שבו הדגימה נלקחת למעשה.זה בדרך כלל על סדר כמה ננו-שניות, והוא נקבע בעיקר על ידי מתג הדגימה וחלוקת השעון.
  • (ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]]][ה]]]][ה]]]][ה]]]][ה]]]][ה]]][ה[ה]]]]][הזמן הנדרש להגדרה של דוגמה אחת.
  • (FLT:0)Pipeline או פלט סדרתי עיכוב:FearLT:1 [ב-By-שלב ADCs (למשל, צינורות ADCs) או אלה המשתמשים ממשקי פלט סדרתיים (SPI, LVDS, JESD204B), שקיפות נוספת עולה מהתאמה לנתונים, תיקון וסידורי.
  • (ב) אם ADC כולל סינון דיגיטלי (למשל, מסננים של סיגמה-דלטה ADC), אשר מוסיף נדיבות למסדר המסנן וליחס הדה-הפחת.

בשליטה רובוטית, השקיפות הכוללת מחיישנים לפעולת לעתים קרובות כוללת את ADC, הבקר הדיגיטלי (למשל, FPGA, מיקרובקר, או DSP), ואת שלב הכוח.התרומה ADC חייב להיות קטן מספיק כי עיכוב הלולאה המשולב אינו עולה על שולי השלב הרצוי.עבור לולאות חובה טיפוסי עם רוחב פס של 1–5 k, ADC של 100-500 הוא טרה-טרנטיבות מקובל יותר עבור טרה-טראז ' â â â â â â â â â â â â â ¢ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ â â ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שיקולים חשובים עבור נמוך-Latency ADCs

שיעור הנפיחות מול Latency Trade-off

שיעור הדגימה גבוה יותר יכול להפחית את עיכוב הקבוצה שהוצג על ידי הבקר הדיגיטלי (כי אלגוריתם הבקרה עדכונים לעתים קרובות יותר), אבל ADC עצמו עשוי להיות זמן המרה כי בקנה מידה הפוך עם מהירות.לדוגמה, רישום חיזוי מוצלח (SAR) ADC עם קצב המרה 10PS בדרך כלל יש זמן המרה של 100 ns (מחזור אחד), אבל MSPS SAR עשוי לדרוש רק 10DC של אבטחה מהירה יותר.

בחירת אדריכלות ADC

אדריכלות מספרית משמשת בדרך כלל בעיצובים נמוכים:

  • (FLT:0)פלאש ADCsib: 1FLT (המהירות ביותר מבחינת זמן המרה (sub-nanoII), באמצעות בנק של מחוקקים.עם זאת, הם מוגבלים להחלטות נמוכות (6-8 ביטים) וצריכת חשמל גבוהה מתאימה לחשיפה הנוכחית במזגים אלקטרוניים מהירים או לולאות בקרה דיגיטליות שבהן טווח דינמי אינו קריטי.
  • (FLT:0 SAR ADCsib: FLT:1 מציע פשרה טובה בין החלטה (12-18 ביטים) לבין הטיות (עשרות למאות ננו-שניות) SAR ADCs להשתמש בלוגיקה שליטה סינכרונית כדי למזער את זמן ההמרה.הם הבחירה המרכזית עבור מנוע, כוח, ועמדות ברגישויות רובוטיות.
  • (FLT:0)Pipeline ADCs:FLT:1 , Achieve גבוה sampling Rate (hundreds of MSPS) עם מדיום לרזולוציה גבוהה (10-16 ביטים) על ידי מקבילה המרה על פני שלבים. Latency יכול להיות מספר מחזורי שעון (10-30 ns), אבל הצנרת מוסיפה עיכובים מכריעים שניתן לפצות על האלגוריתם השולט.
  • (FLT:0sigma-Delta ( ⁇ ) ADCs:FLT:1 ידוע עבור רזולוציה גבוהה (עד 24 ביטים) אבל סובלים מעקביות עקב סינון יתר ו decimation סינון (מיקרו-שניים typly) הם משמשים ביישומים נמוכים, כגון טמפרטורה או לחץ, לא ממש שליטה בזמן.

Data Transfer Interfaces

ממשק בין ADC לבין הבקר הוא לעתים קרובות צוואר הבקבוק. ממשקים מקבילים (למשל, CMOS מקביל או LVCMOS) לספק את הגמישות הנמוכה ביותר כי נתונים זמינים על כל קצה שעון, אבל הם צורכים הרבה I / O pins. .S. משלבים באופן ישיר את ממשקי ה- LDSV נמוך יותר, אך מעכבים סידוריים גבוהים; עם מהירות גבוהה (100 M), בנוסף ל- 1GB רגיל (LS) נמוך יותר של תריסר נקודות תורמילא פחות קיבולת (LS) באופן קבוע (LS) נמוך יותר של NVD2D2D2D2D2 (LS) קיבולת).

כוח לעומת Latency

ברובוטים המופעלים על סוללות או סביבות מחוספסות תרמיות, יש למזער את הכוח במהירות גבוהה ADCs (flash, במהירות גבוהה SAR) יכול לצרוך כמה מאות מילימטרים.טכניקות כגון דרוג מתח דינמי, שעון, או באמצעות ADC במהירות נמוכה במקביל עם אחד מהיר עבור אותות קריטיים יכול לעזור.

טכנולוגיות מובילות להופעה נמוכה

אדריכלות SAR

SAR ADCs ממוכרים גדולים משלבים חלוקה מחדש של מטען עם מערךי Capacitor שאינם בינאריים ותזמון סינכרוני המסלק את הצורך בשעון מאסטר מהיר.לדוגמה, ה-FLT:0 (Analog Devices AD7380FLT:1) מציע 4MSPS לערוץ עם שפע של 210s (למרות מעבר סידרה) עבור יישומים מהירים יותר, 000 ALT2 - 4.

מהירות גבוהה Serialization עם JESD204B

ממשק JESD204B מאומצת באופן נרחב ברכישת נתונים במהירות גבוהה עבור מכ"ם ותקשורת, אך הוא משמש יותר ויותר רובוטיקה עבור רכישת Syncized Multi-Hz.על ידי שימוש בזוג שונה יחיד לכל נתיב פועל ב- Multi-Gbps, JESD204B מקטין מורכבות לוח וכבדות.

פתרונות ADC+ FPGA

כדי לחסל את I / O לעכב לחלוטין, כמה FPGAs (למשל, Xilinx Zynq UltraScale + RFSoC) לשלב ADCs במהירות גבוהה באותו למות עם לוגיקה ניתנת לתוכנה.זה מאפשר את האות המדגם להיות מעובד במרק עם קיבולת sub-na2 נוספת. עבור רובוטים, מכשירים אלה משמשים בשליטה מוטורית מתקדמת כי דורשים רוחב פס גבוה ו תזמון נמוך כדי להיות תזמון נמוך כמו פלט דיגיטלי.

שעון Jitter and SynSyncization

ADC נמוך הוא חסר תועלת אם השעון המדגימה יש ג'ייטר מוגזם, אשר מדגמי SNR בתדרים גבוהים קלט.לדוגמה, בתדירות קלט 1 MHz, 1 ps של RMS Jitter מוריד את SNR על ידי כ 20 (2 ⁇ fs) עדשות מרובות של מערכות ANC-L (L) חייב לספק סימנים מרובים של Psy-CLLFLT:0jFLT:1) ⁇ dB, אשר עשוי להיות מספיק עבור מספר גבוה של מספר גבוה של רזולוציה (xi-C) רזולוציה גבוהה.

אתגרים במערכות הרובוטיקה של Real-World Robotics Systems

רעש וקרקע

ADCs מהירים רגישים לאספקת רעש וקרקע קפיצה. בסביבות נסיעה מוטורית, גבוה dv / dt מ IGBTs או SiC MOSFET יכול להיות יחד לתוך הקצה הקדמי האנלוגי באמצעות קיבולים parasitic. קלטות שונות ופריסת אנלוגי זהיר (בסיס אנלוגי ודיגיטלי זה, הרגולטורים גבוהים) הם קריטיים.

המונחים: ermal Drift

במהירות גבוהה ADCs dissipate חום, אשר יכול לגרום קוצר רוח ולהשיג סחף.בפרקים רובוטיים קומפקטיים, ניהול תרמי הוא קשה. חלק ADCs כוללים חיישנים טמפרטורה פנימיים או שגרות קליברציה דיגיטלית כי להתאים את תוצאות ההמרה על זבוב. עם זאת, לחידוד עם עיבוד דיגיטלי מוסיף עצלות; לכן, מעצבים לעתים קרובות להסתמך על פיצוי אנלוגי או OTP (תוכנית חד פעמית) ערכים משולשים.

המונחים: high-Speed Signals

החלת קלטות אנלוגיות שונות, שעונים מהירים וקווי נתונים דיגיטליים על אותו PCB דורש שליטה קפדנית אימפולסיבית קפדניות תזמון חזק (למשל, 100 ps skew בין נתונים ושעון) דורשים אורךי מעקב מתאימים.שימוש במיקרו סטריפ או פסליין, מטוסים קרקעיים, ו decoupling capacitors ליד כל סיכה ADC הם סטנדרטיים עבור מערכות מרובות ערוצים, הפרדה אנלוגית בין תאים רגישים עם קטעים דיגיטליים או מקבציים).

שקיפות ב- Control Algorithms

גם עם ADC נמוך, הבקר עשוי להציג עיכוב עקב זמן חישוב, PWM לעדכן מחזורים או תקשורת עם צומת אחרים טכניקות כגון סמית 'חיזויים, מסננים קלמן עם עיכוב המדינה, או בקרת מודל פנימי יכול לפצות באופן תיאורטי על עיכובים ידועים, אבל הם דורשים ידע מדויק של הגמישות.

עיצוב ADC נמוך לעוצמה עבור Robotics

אדריכלות היברידית והטרוגנית

שילוב SAR ADC עם חזית פלאש מהירה עבור קורקנציה קורקציה קורקציה דיגיטלית לולאה תיקון יכול להשיג הן מהירות גבוהה (sub-10 ns) ו 14-16 bitרזולוציה. אלה עיצובים היברידיים מתעוררים במסמכים אקדמיים וצ'יפס מותאם אישית.לדוגמה, המרה:02-שלב פלאש-SARFLT:1LTer יכול להמיר את ה bit המשמעותי ביותר עם הבזקים ו 5 פעמים, 000.

Machine Learning for Fitive Latency Optimization

רשת עצבית קלה או מודולים למידה חיזוק לתוך ADC או בקר יכול לחזות את שיעור הדגימה הנדרשת המבוסס על מצב ההפעלה של הרובוט (למשל, האצה גבוהה לעומת מצב יציב) ADC יכול לעבור דינמי בין מצב נמוך עוצמה גבוהה / גבוה כוח-עוצמה מצב ומצב כוח-עוצמה גבוה יותר, להאריך את החיים ללא הקרבה כאשר צריך.

זמן מהיר - Domain ADCs

במקום לכמת מתח, ADCs מבוסס זמן להמיר אות אנלוגי לתוך רוחב הדופק או מרווח זמן נמדד עם נוגד דיגיטלי (כאין לקווים מעכבים רדיפים ), אלה יכולים להשיג שקיפות נמוכה מאוד (נמוך 1 ns) כי המרה היא למעשה דיגיטלית מההתחלה.

אופטי ואינטגרטיבי ADCs

בטווח הארוך, פוטוניקה ADCs באמצעות דגימה אופטית יכול להציע ג'ייטר sub-pico השני ו- ליד אפס עצלות, אבל הם כיום מוגבל לסביבות מעבדה ויישומים טלקום בעלות גבוהה.אם עלויות יורדות, הם יכולים לחולל מהפכה של שליטה מדויקת בלימוזינה או רובוטיקה רפואית.

מסקנה

תכנון נמוך-latency ADCs לשליטה בזמן אמת רובוטיקה ואוטומציה הוא אתגר רב תחומי שנוגע בעיצוב Semiconductor, פריסת מעגלים, תיאוריית בקרה ושילוב מערכת.הבחירה של ארכיטקטורת ADC - SAR, צינורות, פלאש או היברידי - הגנה על הליטנטיות הבסיסית, בעוד ממשק וניהול כוח לקבוע כיצד טמפרטורות מתורגמות לתוך ביצועים ברמה גבוהה על ידי מינוף טכניקות PGD, אפילו שימוש ישיר גלקטית, כמו PGD.

בעוד הרובוטיקה נעה לעבר דרגות חופש גבוהות יותר, פעולה מהירה יותר, ובטיחות שיתופית, הביקוש ל- ADCs עם שקיפות נמוכה ורזולוציה גבוהה יותר רק ירחיבו.חדשנות באדריכלות היברידית, קיבולת הסתגלות כוח, והבטחה של המרת זמן לדחוף את ה- ADC למשטר ננו השני, המאפשר דור חדש של מערכות בקרה שפועלות עם דיוק חסר תקדים ותגובה למהנדסים, אשר מעצבים טכנולוגיות מסחר אופציונליות, שאינן מבוססות על בסיס אופציונלי, אשר אינן מבוססות על ידי מכונות מסחר, אשר אינן מבוססות על בסיס אופציונליות, אשר נבנות, אשר נבנות, אשר אינן מבוססות על ידי תכנון טכנולוגיות מסחר, אשר נבנות, אשר אינן מבוססות על ידי מכונות מסחר, אשר נבנות, אשר נבנות, אשר מהוות את הטכנולוגיה התקני מסחר, אשר נבנות, אשר מהוות את הטכנולוגיה התקני מסחר, אשר מהוות את הטכנולוגיה האופציונלית, אשר אינן מבוססות על ידי תכנון טכנולוגיות מסחר אופציונלית, אשר נבנות, אשר נבנות, אשר אינן מבוססות על ידי תכנון טכנולוגיות מתקדמות, אשר נבנות, אשר נבנות, אשר אינן מבוססות על ידי תכנון טכנולוגיות מסחר, אשר אינן מבוססות על ידי תכנון טכנולוגיות מסחר, אשר אינן מבוססות על ידי שיטות מסחר אופציונלית, אשר נבנות, אשר אינן מבוססות