Robotik ve Otomasyonda Gerçek zamanlı Kontrol için Düşük Yeterlilik Adcslerini Tasarlamak

Giriş: Gerçek Zamanlı Kontrolde Hız İçin Gerekli

Modern robotik ve endüstriyel otomasyonda, gerçek zamanlı kontrol sistemleri mikrosaniyelerde veya hatta nanosaniyelerde yakın olan geri bildirim döngülerine güveniyor. Sensörler pozisyon ölçüm pozisyonunda, güç, tork veya mevcut geri bildirim sinyallerinin sayısallaştırılması gereken birkaç yüz nanosaniye daha da fazla gecikmeden kaçınmak için sayısal olarak, hızlanan kazançları azaltabiliyor veya yüksek motor robotları ve dijital kontrol sistemleri arasındaki sınırda kalıyor.

Düşük çözünürlük ADCs sadece bir rahatlık değildir; ADC'nin üretim-düşüm otomasyonları için gerekli olan on iki nanosaniye aralığındaki uygulamaları temel bir gerekliliktir.

Düşük-Latency ADCs'leri anlamak: Gecikme Gerçekten Ne Demektir

ADC latency, bir analog örnek şu anda dijital gösteriminin kontrole hazır olduğu anda ele geçiriliyor. Birkaç bileşenden oluşuyor:

Robotik kontrolde, birleştirilmiş döngü gecikmesi istenen aşama marjını sık sık sık içerir.ADC, FPGA, mikro kontroller veya DSP), ve güç aşaması için ADC katkısı, lineer motorlar veya lazo aksiyoncular gibi küçük olmalıdır.

Low-Latency ADCs için Anahtar Tasarım

Sampling Rate vs. Latency Trade-off

Daha yüksek örnekleme oranı, dijital kontrol cihazı tarafından getirilen grubu geciktirebilir (çünkü kontrol algoritması daha sık güncellemektedir), ancak ADC'nin kendisi sadece 10 ns'i gerektirdiği bir dönüşüm süresine sahip olabilir.Örneğin, ADC'ler genellikle daha fazla güç tüketiyor ve daha karmaşık bir saat gerektirir.

ADC Architecture Selection

Birkaç mimari genellikle düşük çözünürlük tasarımlarında kullanılır:

Data Transfer Interfaces

ADC ve kontrol arasındaki arayüz genellikle şişenck. Paralel arayüzler (örneğin, paralel CMOS veya LVCMOS) en düşük gecikme süresi sağlar, çünkü her saat kenarda kullanılabilir, ancak SPI gibi birçok otomatik dönüşümleri tüketmektedir; ancak yüksek çözünürlükte otomatik olarak otomatikleştirilebilir bir şekilde yapılır.

Güç tüketimi vs. Latency

Batarya destekli robotlar veya termal olarak kısıtlanmış ortamlar, güç en aza indirmek zorundadır. Yüksek hızlı ADCs (flash, yüksek hızlı SAR) güç azaltımı gibi birçok yüz miliwatt tüketebilir, kontrol döngüsüne göre sistem ayarlamasına izin verir.

Teknolojiler Düşük-Latency Performansı

Gelişmiş SAR Mimarileri

Son SAR ADCs büyük satıcılardan şarj re dağıtımını, 210 ns'ın geç saatlerinde (toplam dönüşüm artı serileri) ile birleştirir.Fort:2TI ADS9224RAnalog Cihazları: 0,2380 280 ns gecikmeli bir şekilde kanal başına 4 MSPS sunuyor.

JESD204B ile Yüksek Hızlı Serileştirme

JESD204B arayüzü, radar ve iletişim için yüksek hızlı veri alımında yaygın olarak kabul edilir, ancak çok kanallık bir şekilde senkronize edilen tek bir çift kullanarak, JESD204B, yaklaşık 12 saat döngülerinin toplam gecikme oranına sahiptir (48 ns 250 inçlik bir şekilde).

Tümleşik ADC + FPGA Çözümleri

I/O'yu tamamen ortadan kaldırmak için, bazı FPGA'lar (örneğin, Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC) hem yüksek bant genişliğini gerektiren ve determinist zamanlamayı aynı şekilde entegre eder.Bu, kumaşta analog girişten 5-10 ns olarak işlenebilir.

Saat Jitter ve senkronizasyon

Düşük çözünürlük ADC, örnekleme saati aşırı derecede jitter varsa işe yaramaz, bu da yüksek giriş frekanslarında SNR'yi yüksek çözünürlükte 1 dB'ye kadar düşük hacimli saat kaynaklarına (Otelif PLLs) ve dikkatli bir şekilde ayarlandığında, ADC'ye göre çok yönlü bir şekilde bir dizinde bir dizinde birden fazla değişkenli hataya yol açmamalıdır.

Gerçek Dünya Robotik Sistemlerinde Uygulama Meydanları

Gürültü ve Yer

Hızlı ADCs, güç tedarik gürültü ve zeminin düşmesine karşı hassastır. Motor sürüş ortamlarda, IGBTs veya SiC MOSFET'lerden yüksek dv/dt'ler artık entegre dijital filtreler (örneğin, parasitik kapasite ile geçilebilir) içerir.Diparate analog ve dijital nedenlerle, yüksek PSR düzenleyicileri ekledikten sonra bir veya iki saat gecikme döngüsü eklemek için bir uzlaşma modunda kullanılır.

Termal Drift

Yüksek hızlı ADCs ısıyı ayrıştırabilir ve sürüklenebilir. Kompakt robotik eklemlerde, termal yönetim zor. Bazı ADCs, uçta dönüşüm sonuçlarını ayarlayan içsel sıcaklık sensörleri veya dijital kalibrasyon rutinleri içerir. Ancak, dijital işleme ile kalibre etmek gecikir; bu nedenle, tasarımcılar genellikle analog tazminata veya OTP'ye güvenirler.

Yüksek Hızlı Sinyaller için PCB Layout

Aynı PCB'deki yüksek hızlı saatler ve dijital veri hatları dikkatli bir şekilde kontrol gerektirir. Dar zamanlama kısıtlamaları (örneğin, veri ve saat arasındaki 100 ps skew) talep edilen iz uzunluğu. Mikrostrip veya striptizci kullanın, zemin uçaklar ve her ADC pin yakınındaki eğimli tırma noktaları standarttır.

Kontrol Algoritmalarında Latency Compensation in Control Algorithms

Düşük çözünürlük ADC ile bile, kontrol edilebilir gecikme süresi nedeniyle gecikmeyi sağlayabilir, PWM güncelleştirme döngüleri veya Smith'in tahmin edicileri ile iletişim kurarlar, Kalman filtreleri devlet gecikmesi veya dahili model kontrolü ile ilgili olarak, ADC verilerini uygun PWM döngüsü ile uyumlu bir şekilde ayarlamayı gerektirirler.

Geleceğin Low-Latency ADC Design for Robotics

Hibrit ve Heterojen Mimarlıklar

Yüksek çözünürlüklü bir SAR ADC'yi, örneğin, iki adımlı flaş için bir araya getirebilmek ve dijital düzeltme döngüsü hem yüksek hız (sub-10 ns) hem de 14-16 bit çözünürlükle elde edilebilir. Bu karma tasarımları akademik kağıtlarda ve özel çiplerde ortaya çıkmaktadır. Örneğin, aİLETİŞİM:0).

Adaptif Latency Optimizasyonu için Makine Öğrenme

ADC veya kontrol modüllerinin ADC veya kontrol altına alınması, robotun işletim durumuna göre gerekli örnekleme oranını tahmin edebilir (örneğin, yüksek hız vs. sabit durumda). ADC daha sonra düşük ücretli / yüksek güç modu ve daha yüksek çözünürlük / daha düşük güç modu arasında dinamik olarak geçiş yapabilir, gerektiğinde şarj etmeden batarya hayatını uzatabilir.

Doğrudan Zaman-Domain ADCs

Frekansı ölçmek yerine, zaman temelli ADCs, bir dijital sayacı ile ölçülebilen bir analog sinyale veya zaman aralığına dönüşür (daha düşük gecikme hatlarına karşı akabilirsiniz). Bunlar son derece düşük hıza ulaşabilir (daha düşük 1 ns) çünkü dönüşüm, özellikle de GaN tabanlı motor sürücüleri için algılayıcılar için umut vericidir, geleneksel gerilim ADCs yüz ortak mod ve hız sınırlamaları ile.

Optik ve Entegre Fotonik ADCs

Uzun vadede, optik örnekleme kullanarak fotonik ADCs, sub-picosan aperture jitter ve yakın-zero latency sunabilir, ancak şu anda laboratuvar ortamları ve yüksek maliyetli telecom uygulamaları ile sınırlıdır.Eğer maliyetler düşerse, lithography veya tıbbi robotikte hassas hareket kontrolü devrim yapabilirler.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Düşük zamanlı kontrol için ADC'ler, robotik ve otomasyonda gerçek zamanlı kontrol için tasarlayın, yarı zamanlı tasarım, devre düzeni, kontrol teorisi ve sistem entegrasyonu. ADC mimarisi seçimi -SAR, boru hattı, flaş veya hibrid – temelleri tanımlarken, arayüz ve güç yönetimi, endüstri düzeyindeki performansı nasıl talep edebileceğini belirler.

Robotikler daha yüksek özgürlük derecelerine, daha hızlı hareketlendirmeye ve işbirliğine doğru hareket ettikçe, ADC'lerin daha düşük gecikmeli ve daha yüksek çözünürlükte çalışmasını sağlamak için talep yalnızca karma mimarlıklarında yenilik, adaptif güç ölçeklendirme ve zaman alanı dönüştürme ADC latency'yi nanosaniye rejimine zorlamaya söz verir, yeni bir kontrol sistemleri için talep eder.