【導讀】工業自動化和醫療保健系統的設計者正越來越多地采用先進的感測、探測以及圖像和視頻捕捉技術進行數字化和分析。然而，分析的好壞取決于輸入數據，而數據采集又依賴于高性能、高動態范圍、精確和穩定的信號調節和轉換塊。如使用分立式電路方法設計這些模塊，就需要大量的設計資源、設計時間和電路板空間，所有這些都將增加總成本。
本文簡要介紹了典型的數據采集系統及其核心元件。然后介紹 Analog Devices Inc 的數據采集 (DAQ) 模塊，該模塊集成了許多關鍵元件，可提供穩定的 18 位、2 兆次采樣每秒 (MS/s) 的性能。最后介紹評估板，幫助設計者熟悉該數據采集模塊及其使用。
工業自動化和醫療保健系統的設計者正越來越多地采用先進的感測、探測以及圖像和視頻捕捉技術進行數字化和分析。然而，分析的好壞取決于輸入數據，而數據采集又依賴于高性能、高動態范圍、精確和穩定的信號調節和轉換塊。如使用分立式電路方法設計這些模塊，就需要大量的設計資源、設計時間和電路板空間，所有這些都將增加總成本。
同時，設計者需要確保其最終系統能夠保持競爭力，這意味著在確保出色性能的同時，盡可能降低成本并縮短上市時間。
DAQ 系統的元件
圖 1 所示便是一個典型的數據采集系統。所關注的信號通過傳感器采集，該傳感器為響應一些物理現象會輸出一個電信號。傳感器可能提供單端或者差分輸出，而且可能需要進行如濾波等一些信號調節。為了從模數轉換器 (ADC) 獲得盡可能大可能的動態范圍，必須將信號放大以匹配 ADC 的輸入電壓范圍。放大器的增益和失調通常通過精密電阻控制，且必須根據動態和溫度漂移情況進行仔細匹配。溫度依賴性通常要求兩個元器件之間的實際距離很小。動態條件包括必須最大限度地減小噪聲和失真水平。
圖 1：典型 DAQ系統從傳感器獲取數據并進行調節，優化施加到 ADC 的信號振幅，然后將數字數據發送至系統處理器。（圖片來源：Analog Devices）
逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 必須有足夠大的動態范圍，用分辨率的位數表示。該器件還需要一個穩定、干凈的緩沖式電壓基準。
最后，采集的數據必須能夠通過通信接口訪問。使用分立元件實現這樣的數據采集系統需要更多的空間，而且往往會導致在性能方面遠不如集成器件。我們以通過差分放大器驅動 ADC 為例來考慮其性能要求，即必須使放大器兩個輸入端的的輸入和反饋電阻嚴格匹配，因為任何不平衡都會降低共模抑制比 (CMRR) 。同樣，輸入電阻必須與反饋電阻精確匹配，以設置級增益。這些電阻也必須進行超溫跟蹤，因此要求它們之間的距離很近。此外，整體電路布局對于保持信號完整性和寄生響應最小化至關重要。
集成 DAQ 模塊能夠節省時間和空間
為了既能滿足性能要求，又能減小尺寸、縮短設計時間，設計者可以使用 Analog Devices 的 ADAQ4003BBCZ μModule 系統級封裝 (SIP) 替代分立式實施方案 (圖 2) 。ADAQ4003 的尺寸為 7 x 7 mm。該器件側重于整合包括信號調節和數字化在內的信號鏈中最常見部分，以實現性能更先進的、更完整的信號鏈解決方案。這樣，就可填補標準分立元件和高度集成的客戶特定型 IC 之間的空白，從而解決數據采集需求問題。
圖 2：μModule SIP 的剖面圖。該器件以其側面只有 7 mm 大小的外形將多個常見信號處理模塊整合在一起。（圖片來源：Analog Devices）
ADAQ4003 將一個運行速度高達 2 MS/s的高分辨率 18 位 SAR ADC、一個低噪聲全差分 ADC 驅動放大器 (FDA) 、一個穩定的電壓基準緩沖器以及所有必要的關鍵無源器件整合在一起。其小型 49 觸點的球柵陣列 (BGA) 封裝符合緊湊的外形尺寸要求。
如圖 3 所示，ADAQ4003 的電路板面積不到分立式布局方案的 1/4。
圖 3：除去保護蓋的ADAQ4003（左）與能實現相同電路的分立元器件相比，其表面積不到后者的四分之一。（圖片來源：Analog Devices）
相比分立式實施方案，μModule 擁有諸多優勢。占位面積較小，各元件之間的距離較近，可實現更好的溫度跟蹤并減少因引線電感和雜散電容而產生的寄生效應。
ADAQ4033 的功能框圖顯示了每個數據采集系統中的四個關鍵部件（圖 4） 。
圖 4：ADAQ4003的功能框圖顯示了在其 7 x 7 mm、49 觸頭 BGA 封裝中所包含的元件。（圖片來源：Analog Devices）
盡管其尺寸很小，但ADAQ4003 通過使用 Analog Devices 的 iPassives 技術集成了關鍵的無源元件。集成無源器件是在同時生產多個無源網絡的基片上制造的。這些零件都采用高精度工藝制造。例如，電阻陣列元件的匹配度在 0.005% 以內。相鄰的元件之間的間隔非常小，在初始值方面具有遠超分立式無源元件的良好匹配度。由于在共同的基底上實現以及組件的集成結構，因此也可在在溫度、機械應力和老化壽命方面更好地跟蹤組件的數值。
如前所述，SAR 18 位 ADC 的時鐘速度可以達到 2 MS/s，但在運行時不會出現丟碼狀態。無源元器件的精確數值和匹配度保證了 ADC 的卓越性能。在0.454 的增益設置下，典型信噪比 (SINAD) 為 99 dB。其積分非線性度通常為百萬分之三 (ppm) 。輸入電阻陣列可以通過引腳綁定，允許進行 0.454、0.909、1.0 或 1.9 增益設置，以使輸入與 ADC 的滿刻度范圍相匹配，從而最大限度地提高其動態范圍。關鍵部件的匹配使得在 0.454 增益范圍內，增益誤差漂移為 ±0.5 ppm/C°、失調誤差漂移為 0.7 ppm/C°。
在 ADC 模塊之前是 FDA 驅動器，且在差分配置的所有增益范圍內 CMRR 為 90dB。該放大器有一個非常寬的共模輸入范圍，但取決于具體的電路配置和增益設置。FDA 可用作差分放大器，也可用于對單端輸入進行單端到差分的轉換器件。
有一個單極 RC 濾波器，通過在 FDA 驅動器和ADC 之間的內部元件以差分方式實現。這種設計是為了限制 ADC 輸入端的噪聲，減少來自 SAR ADC 的容性數模轉換器 (DAC) 輸入端的電壓回跳影響。
ADAQ4003 還包含一個在單位增益下配置的基準緩沖器，從而能以最佳方式驅動 SAR ADC 參考節點的動態輸入阻抗。此外，還包括了所有用于電壓參考節點和電源的、必需的去耦電容器。這種去耦電容器的特點是具有較小的等效串聯電阻 (ESR) 和等效串聯電感 (ESL)。事實上對于 ADAQ4003 來說，這些電容器是內部器件，因此能進一步簡化物料清單 (BOM) 。
ADAQ4003 的數字接口使用串行外圍接口(SPI) 。這種接口兼容 DSP、MICROWIRE 和 QSPI。由于使用了使用單獨的 VIO 電源，輸出接口與 1.8 V、2.5 V、3 V 或 5 V 邏輯兼容。
ADAQ4003 的總運行功耗低，在 2 MS/s最大時鐘速率下僅為 51.5 mW，并且在較低時鐘速率下的功耗更低。
ADAQ4003 采用模擬和數字信號分離式布局，這有助于計人員保持信號完整性和性能。在這種引腳布局下，模擬信號位于左側，數字信號位于右側，讓設計者能夠隔離敏感的模擬和數字部分，盡量減少一切交叉干擾。
電路模型
Analog Devices 提供了仿真模型，在其 LTspice 免費仿真器中為 ADAQ4003 提供了一個模型。該公司還提供 IBIS 模型用于其他商業電路仿真器。
LTspice 包括使用 ADAQ4003 的基本參考電路，如圖 5 所示。該器件用于差分輸入配置，通過將 1.0 kΩ 和 1.1 kΩ 的輸入電阻串聯將 FDA 的增益設置為 0.454。該模型的參考電壓設置為 5 V，使用 2 MS/s 轉換時鐘。
圖 5：ADI 為使用差分輸入配置的 ADAQ4003 提供 LTspice 仿真模型。（圖片來源：Art Pini）
LTspice 模型是任何設計的起點，可以使用評估板進行進一步驗證。
評估板
在考慮 ADAQ4003 時，明智的做法是使用 EVAL-ADAQ4003FMCZ 評估板對其進行測試。這個多板套件包括評估板和一個現場可編程陣列夾層卡。這些產品與 Analog Devices 的 EVAL-SDP-CH1Z 系統演示平臺搭配使用。ADI 還提供帶有產品特定型插件的分析/控制/評估 (ACE)?演示軟件，以便用戶進行詳細的產品測試，包括諧波分析以及積分和差分非線性測量。
總結
對于負責快速開發高性能 DAQ 系統，并需要將尺寸和成本控制在最低水平的設計人員，ADAQ4003 μModule 是一個不錯的選擇。通過消除分立元件選型、優化和布局帶來的信號鏈設計挑戰，該器件縮短了精密測量系統的開發周期。ADAQ4003 通過為單個元件提供經過優化的、節省空間的數據采集解決方案作為定制設計的基礎，進一步簡化設計過程。
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