Tümleşik Sensör ve Signal Durumlama Sistemleri için Multi-function ADC Modülleri tasarlamak

Modern sensör ve sinyallendirme sistemleri analog- sayısal dönüştürücüler (ADCs) talep eder ve bu tür modüller gerilim seviyelerinin hesaplanmasını sağlar. algılama, koşullandırma ve işleme arasındaki sınırlar, mühendisler giderek daha fazla sayıda çip veya kompakt modüller yapabilmeli, gerçek zamanlı işlem öncesi işlemleri yapabilmeli ve çeşitli çevresel koşullara adapte edici fırsatlara uyum sağlar. Bu makale, tümleşik sinyal sistemleri, güç, maliyet ve form faktörü, tek bir tek ve sayısal modül üzerinde entegrasyon sırasında birçok analog ve dijital işlevlerin belirlenmesini sağlar.

Multi-Functional ADC Modülleri Neden Temelde

Endüstriyel otomasyonda akıllı sensörlerin çoğalması, tıbbi tanılar, otonom araçlar ve Nesnelerin İnterneti (IoT) bir sinyal domaini geliştirmek için bir ihtiyaç yarattı. Geleneksel tasarımlar genellikle her sensör tipi için ayrı sinyal koşulları gerekli, yüksek çözünürlük alanı, bileşen sayması ve geliştirme süresine yol açtı.

Anahtar avantajları şunlardır:

Bu avantajlar, hassas tarımdan havacılıka kadar birçok sektöre kabul edilir. sensör kenarlarında daha yüksek entegrasyon ve istihbarat için ihtiyaç olarak, multi-fonksiyon ADC modülleri özel bir bileşenden ziyade varsayılan seçim haline gelecektir.

Çok-Functional ADC Modülleri için Temel Tasarım

Farklı sensör türleri arasında güvenilir bir şekilde performans gösteren çok yönlü bir ADC modülü oluşturmak, birkaç bağımsız parametreye dikkat gerektirir. Aşağıdaki alt bölümler en kritik tasarım gözlerini kırar.

Analog Giriş Mimarisi ve Flexability

Giriş aşaması, çeşitli sensörler yoluyla sıralanmak için birden fazla konfigürasyonu desteklemeli: tek taraflı, diferansiyel veya pnömatik enjeksiyonlar, özellikle yüksek çözünürlükli kaynaklar için birden fazla eksenli ön uç sunar.Performanslar yüksek girişli PGA'lara girişleri onaylayabilir ve çeşitli sensörlerle entegre edilmelidir. Örneğin, multiple rightT:0Texas Instruments ADS61[değiştir | kaynağı değiştir]

Ayrıca, hem gerilim hem de mevcut sinyalleri ele alma yeteneği çok önemlidir. Current-input ADCs, genellikle bir transimped yükselticinin geri bildirim yolunda, fotodetectors veya 4-20 mA endüstriyel vericiler. Bazı modüller de RTDs veya güçlüometreler gibi direnç sensörleri kullanmak için programlanabilir.

Çözüm, Hız ve Dinamik Range Trade-Off

Doğru karar ve örnekleme oranını seçmek bir dengeleme eylemidir. Yüksek çözünürlüklü ADCs (20-24 bit) vibrasyon izleme veya ultrasonik algılama gibi düşük frekanslı sensörlerin genellikle yük hücreler veya sıcaklık probları gibi yüksek çözünürlük sensörlerinin idealidir, ancak genellikle hıza kadar işlem yaparlar. Conversely, yüksek hızlı ADCs (10-14 bitleri, on MSPS) her iki kat daha fazla dinamik bir şekilde bir araya getirerek, çok işlevli modüller genellikle yüksek çözünürlükte bir şekilde bir araya gelir.

Gürültü performansı eşit derecede önemlidir. Tasarımcılar, gürültü reddedilmesi için zaman ayırmayı dikkate almalıdır. Örneğin, bir modül endüstriyel ortamlardaki sadece 50 Hz / 375 Hz.Kapit dijital filtreyi ortadan kaldırmak için ayarlanabilir.

Güç Yönetimi ve Low-Noise Operasyonları

Batarya destekli veya enerji-harvesting uygulamaları, ADC'nin gücü tüketimi doğrudan sistem ömür boyu etkiler. Multi-fonksiyon modülleri, doğrudan bellek erişim (DMA) ile otonom örnekleme, ve bu önyargıları örnekleme oranına göre ayarlarken ölçeklendirmek için. ancak, düşük güç işlemi genellikle daha yüksek gürültü ve bozulmayı sağlar, bu nedenle hassas bir optimizasyon gereklidir.

Termal yönetim aynı zamanda yüksek performanslı analog ve dijital işleme bloklarını entegre ederken bir göz önünde bulundurmaktadır. A spread-spectrum saat veya periyodik kalibrasyon döngüleri, termal kaymayı ölçüm doğruluğunu etkilemeden engelleyebilir. İyi düzen uygulamaları - örneğin, analog ve dijital malzemelerle ilgili olarak - çapraz konuşmadan kaçınmak için gereklidir.

Interface ve Digital Integration

Modern multi-faksiyon ADCs sadece analog-dijital dönüştürücü değildir; tek bir otobüste birden fazla modül (SPI, I2C, I2S, veya paralel) ve sık sık sık sık çoklu kontrol mantığını çoklu modlar için entegre ederler ve veri formatlama.

Ayrıca, non-volatile bellekleri ve konfigürasyon ayarlarını depolayabilir, modülün bağımsız olarak çalışmasını sağlar. Bazı gelişmiş cihazlar gerçek zamanlı filtreleme, tetikleme veya avering için küçük bir mikrokontrollü çekirdek içerir - ADC ve entegre bir sensör merkezi arasındaki çizgiyi hızlandırır.

Multi-Functional ADCs'lerin Arkasındaki Anahtar Bileşenler ve Teknolojiler

Birkaç devre tasarım teknikleri ve yarı iletken teknolojiler bu modülleri mümkün kılar. Bu bina bloklarının anlaşılması, mühendislere doğru cihazı seçmesine ve güçlü ve sınırlamalarını değerlendirmelerine yardımcı olur.

Sigma-Delta ( ⁇ -345) Modulators

⁇ -345 ADCs, yüksek çözünürlüklü çok işlevli modüllerin arka kemiğidir, özellikle düşük frekanslı uygulamalar için.Sc3 veyac5 gibi giriş sinyalini birçok kez aşırı frekanslara göre genişletir ve bu sayede dijital decimasyon filtresi ile kaldırılabilir. Modern ⁇ -345 modüller, mükemmel doğrusallık testleriyle 24bit çözünürlüğü elde ederler.In-çimasyon filtreleri, sinc3 veyac5 gibi, programlanabilir bant genişliği ve reddedilmesi sağlar.

programlanabilir rasyonal amplifatörler (PGAs)

Bir PGA, geniş ölçüde farklı sinyal seviyelerinde sensörleri işlemek için gereklidir - termo çiftlerden gelen mikro volt seviyesindeki sinyalleri güçlü bir ölçümle optimize etmek için gereklidir. PGAs genellikle 1 ila 128 veya daha yüksek olan, düşük dengeleme ve gürültü ile geçiş yapan kanallardan elde etmek gerekir.

İç gerilim Referansları ve Excitation Sources

Doğru dönüşüm, stabil bir gerilim referansına bağlıdır. Dış referanslar, ayrıca mevcut kaynakları (örneğin, 1 mA veya 200 μA) karşı dirençli sensörler, oranmetrik ölçümler sunmak için. Ancak, en yüksek doğruluk için, birçok modüller dış bir referans kabul eder.

Anahtarlı-Kapacitor Filtreler ve Anti-Aliasing

ADC'nin analog girişini önlemek için, dönüşümden önce bant genişliği sınırlı olmalıdır. Bazı multi-fonksiyonel modüller programlanabilir bir kesme frekansı sağlar.Bu filtreler, dijital decimasyonla birlikte, dış bileşenler olmadan tam bir anti-aliasing çözümü sunar. ancak, geçişli devreler enjeksiyonu ve saat beslemesini tanıtabilir ve bu da doğrusallaştırmazsa doğrusallığı dikkatlice tasarlayabilir.

Gömülü Dijital Sinyal İşleme (DSP)

Basit filtrelemenin ötesinde, birçok modül şimdi lineerizasyon için bilgisayar rutinleri içerir (örneğin, ADC modülü, sıvı olmayanlar için), RMS hesaplaması veya sensör tazminatı sağlar. Bu “st” işleme yükleri ana mikro kontroller ve veri otobüsü trafiği azaltır. Örneğin, ADC modülü doğrudan derecelerde veya kilo okuması için, kalibrasyon sonrası.

Anahtar Endüstrilerde Multi-Functional ADC Modülleri Uygulamaları

Bu modüllerin yanlışlığı onları geniş bir gerçek dünya sistemleri için uygun hale getirir. Aşağıda özel örnekler vardır.

Endüstriyel Süreç Kontrolü ve Fabrika Otomasyonu

programlanabilir mantık kontrolörleri (PLC) ve dağıtılmış kontrol sistemleri, çok fonksiyonlu ADCs, gerilim, mevcut RTD ve termo çift sinyalleri değiştirmeden bağımsız olarak sağlar.Bu modüller genellikle döngü-güçlü izolasyon, tanı (örneğin, açık-tel algılama), ve IEC 61131-9 gibi standartlarla uyum sağlar ( mesafe I/O) Bir örnek olarak, AD4115[FLT 1:0Analog Cihazları AD4115)

Tıbbi Cihazlar ve Giyilebilirler

Elektrokardiyogramlar (ECG) ve pul oximeters gibi hasta izleme sistemleri, yüksek çözünürlükte ADC'leri çok düşük gürültü ile ve hareket eserlerini reddetme yeteneği. Multi-foni modüller genellikle yüksek çözünürlükte bir DC servo döngü içerir ve elektrode dengelemek için, ve bir grup geçiş filtresi de kullanılabilir.

Havacılık ve Savunma

Aşırı sıcaklıklar ve titreşim ile sert ortamlarda, kendi kendini tanımlayan ADC'ler, teşhisler ve reddansiyonlar önemlidir. Motor sıcaklıklarını, basınç sensörlerini ve yapısal sağlığı izler. Radyasyon-hardized versiyonları (örneğin Renesas veya Analog cihazlardan) uydu telemetride kullanılır.

Otomotiv ve Elektrikli Araçlar (EV)

Modern EVs, batarya yönetimi, lastik basıncı izleme ve motor kontrolü için doğru algılara güveniyor. Hem yüksek gerilim izolasyonunu (kabinde galvanic izolasyonu) hem de kesin şu anki algılama yöntemleriyle bağlantıyı basitleştirebilecek olan ADCs.

Tüketici Elektronik ve Akıllı Ev

Akıllı termostatlardan robotik vakum temizleyicilerine, çok fonksiyonlu ADCs, dokunmatik algılama, ortam ışığı ölçümü ve çevresel izleme sağlar. Entegre eksasyon ve filtreleme ile tüm sistem maliyetini azaltırken, yeterli doğruluk (12-16 bit) bazı cihazlar diğer ölçümlerin tazminatı için sıcaklık sensörü içerir.

Future Trends: Multi-Functional ADC Design için Sonraki

Birkaç teknoloji trendleri bir sonraki ADC modüllerini şekillendiriyor.

AI-Enhanced Signal Processing

ADC modülünün içinde küçük bir sinir ağ hızlandırıcı veya karar ağacı motoru eklemek akıllı veri azaltımı sağlar. Örneğin, endüstriyel bir titreşim sensörü anomalileri tespit edebilir ve sadece rapor olayları, büyük ölçüde daha düşük otobüs trafiği ve güç tüketimi sunar. Analog cihazlar ve STMikroelektroniklar zaten temel ekstraksiyon ile “akıllı” ADC'ler sunar.

3D Entegrasyon ve Sistem-in-Package (SiP)

Birden çok kişinin birden fazla ölmesini sağlamak – yüksek çözünürlüklü ADC ölmek, dijital bir işlemci ve bir MEMS sensörü – tek bir paket ara bağlantı parasitiği azaltır ve heterojen entegrasyon sağlar. Bu yaklaşım, ısıyı, nem, baskıyı ve aynı zamanda sabit ölçümleri işleyen kompakt, multi-sensor modüller sağlayacaktır.

Enerji Hasatı için Ultra-Low-Power Tasarımlar

Alt-tavücut devre tasarımı ve asenkron mantığı ADC güç tüketimini nanowatt aralığında yoğunlaştırıyor. Enerji-harvesting kaynakları ile bir araya gelmek (güneş hücreleri veya termoelektrik jeneratörleri), bu modüller yıllar boyunca batarya değiştirmesi gerektiren gerçek otonom sensörleri sağlayacaktır.

Programlanabilirliğinin Yüksek Düzeyleri

Alan programlanabilir analog diziler (FPAAs) ve tamamen yapılandırılabilir ADCs, son kullanıcıların sinyal zincirini tanımlamasına izin verir - ancak filtre tipi, örnekleme oranı ve referans - yazılım.Bu esneklik birden çok donanım çeşidi ve basit tedarik zinciri lojistik ihtiyacını azaltır. Texas Instruments'ın HızPath ailesi ve ADI'nın mSure teknolojisi bu yönde taşları adım atıyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Entegre sensör ve sinyallendirme sistemleri için çok sayıda işlevsel bir çözüm oluşturmak, analog devre tasarımı, dijital sinyal işleme, sistem mimarisi ve uygulama bilgisi. Bu ADC'lerin rolü, sıcaklık ve gürültü, düşük güç tüketimi ve sezgisel dijital arayüzler için çok disiplinli bir meydan okumadır. Daha akıllı, daha verimli sensör sistemleri hızlandığında - Endüstri 4.0, elektrik hareketliliği ve kişiselleştirilmiş tıp tarafından yönlendirilir - bu ADC'lerin rolü - bu ADC'lerin rolü sadece daha merkezi hale gelecektir.