使用精密信号链解决方案减少数据采集系统设计迭代

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2022年政府工作报告提出,要加快发展工业互联网,培育壮大集成电路、人工智能等数字产业,提升关键软硬件技术创新和供给能力。这已经是“工业互联网”第五次被写入政府工作报告。从“发展工业互联网平台”到“加快发展工业互联网”,并提出“提升关键软硬件技术创新和供给能力”,国家对于工业互联网的建设赋予了更高使命,也逐渐明确了工业互联网的发展方向和路径。

随着工业经济数字化转型的不断推进,多种多样的传感器被大量部署在工业生产环境中,传统工业开始面临海量数据采集的问题。数据采集系统作为生产过程信息的收集手段,成为连接底层自动化系统与高层信息化系统的桥梁。对于系统架构师和电路硬件设计人员而言,从零开始创建一个高性能高分辨率的数据采集信号链可能面临诸多挑战,因为不仅需要为最终原型选择器件并优化设计,还要满足驱动ADC输入、保护ADC输入以使其免受过压事件影响、较大限度地降低系统功耗、用低功耗微控制器和/或数字隔离器实现更高的系统吞吐量等技术要求。

通常,系统设计人员最终都是为相同的应用设计不同的信号链架构,然而,并非所有设计都适用同一种信号链。数据转换和信号处理技术供应商亚德诺半导体(ADI)提供的精密信号链μModule® 解决方案,专注于信号链、信号调理和数字化的通用部分,以此弥补标准分立器件和高度集成的客户特定IC之间的缺口。

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ADAQ4003是ADI μModule 精密数据采集 (DAQ)、信号链解决方案中的一种,属于系统级封装(SiP)的解决方案,其较好地兼顾了降低研发成本和缩减尺寸两方面因素,同时加快了原型制作。ADAQ4003包括低噪声、FDA、稳定的基准电压源缓冲器和高分辨率18位、2 MSPS SAR ADC,通过将元件选择、优化和布局从设计人员转移到器件本身,从而简化了信号链设计,缩短了精密测量系统的开发周期。此外,该器件利用 ADI 的 iPassives® 技术集成了关键的无源元件,这些元件具有出色的匹配和漂移特性,可最大程度地减少与温度有关的误差源,并对性能进行优化。值得一提的是,ADI提供的µModule 套件都是经过全面测试的信号链构建模块,使系统设计人员能够快速实现其最终目标——无需调试或优化外部电路。

在尺寸上,ADAQ4003 采用小型、7 mm × 7 mm、0.80 mm 间距、49 球 CSP_BGA 封装,可在不牺牲性能的情况下,实现紧凑的外形设计,并简化了终端系统的物料清单管理。这种系统集成水平使 ADAQ4003 对印刷电路板 (PCB) 布局的敏感度大大降低,同时仍提供了适应各种信号电平的灵活性。

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ADAQ4003 µModule器件与分立信号链解决方案的尺寸对比

精密数据采集产品的典型应用场景之一就是自动测试设备,这类精密仪器具有拉电流/灌电流功能,每个处理程控电压电流调节的通道都需要一个控制环路,并且它们需要高精度(特别是良好的线性度)、速度、宽动态范围(用于测量µA/µV信号电平)、单调性和小尺寸,以容纳同时增加的通道数。ADAQ4003的精密性能可减少终端系统的器件数量,并允许在电路板空间受限的情况下提高通道密度,同时减轻了此类直流测量可扩展测试仪器的校准工作和散热挑战。高精度与快速采样速率相结合,可降低噪声并且无延迟,从而提供出色的阶跃响应和快速建立时间达到提高测试效率的目的,更适合控制环路应用。

此外,ADAQ4003通过消除因自身漂移和电路板空间限制而需要在仪器上分配基准电压的缓冲区,帮助减轻了设计负担。由于漂移性能和元件老化决定测试仪器的精度,因此其确定性漂移降低了重新校准的成本,缩短了仪器的停机时间,使仪器能够测量较低的电压和电流范围,有助于针对各种负载条件优化控制环路,从而明显改善仪器的工作特性、测试效率、吞吐量和成本,而仪器的高测试吞吐量和较短的测试时间最终将帮助用户降低测试成本。

ADAQ4003的精度性能和小尺寸对各种精密数据转换应用颇具实用价值,可应用于包括自动化测试设备、电子测试和测量(阻抗测量)、医疗健康(生命体征监测、诊断、成像)和航空航天(航空)等,以及一些工业用途(机器自动化输入/输出模块)等。

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使用信号链µModule技术降低总拥有成本

“工业互联网”是未来工业的发展方向,本质上是运用工业大数据和物联网技术提升工业生产力,而工业大数据是未来工业在全球市场竞争中发挥优势的关键。然而,由于自动化终端设备类型繁多、不同采购年代的产品厂家和数据接口及支持协议也各异等因素,导致工业自动化数据采集一直困扰着制造企业。ADI的精密信号链µModule解决方案是一种性能由数据手册限制指定的完整解决方案,将影响性能的无源组件集成到系统中,可显著降低系统设计人员的总拥有成本。降低PCB组装成本,通过提高批次产量增强生产支持,支持可扩展/模块化平台的设计重用,还简化了最终应用的校准工作,同时加快了上市时间。

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