還在用分立元件設計數據采集系統？該換個(gè)方法了！

本文簡(jiǎn)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(guān)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(yè)自動(dòng)化和醫療保健系統的設計者正越來(lái)越多地采用先進(jìn)的感測、探測以及圖像和視頻捕捉技術(shù)進(jìn)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(lài)于高性能、高動(dòng)態(tài)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(shí)間和電路板空間，所有這些都將增加總成本。

同時(shí)，設計者需要確保其最終系統能夠保持競爭力，這意味著(zhù)在確保出色性能的同時(shí)，盡可能降低成本并縮短上市時(shí)間。

DAQ 系統的元件

圖 1 所示便是一個(gè)典型的數據采集系統。所關(guān)注的信號通過(guò)傳感器采集，該傳感器為響應一些物理現象會(huì )輸出一個(gè)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(jìn)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(dòng)態(tài)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(guò)精密電阻控制，且必須根據動(dòng)態(tài)和溫度漂移情況進(jìn)行仔細匹配。溫度依賴(lài)性通常要求兩個(gè)元器件之間的實(shí)際距離很小。動(dòng)態(tài)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(jìn)行調節，優(yōu)化施加到 ADC 的信號振幅，然后將數字數據發(fā)送至系統處理器。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 必須有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，用分辨率的位數表示。該器件還需要一個(gè)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(guò)通信接口訪(fǎng)問(wèn)。使用分立元件實(shí)現這樣的數據采集系統需要更多的空間，而且往往會(huì )導致在性能方面遠不如集成器件。我們以通過(guò)差分放大器驅動(dòng) ADC 為例來(lái)考慮其性能要求，即必須使放大器兩個(gè)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(huì )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(jìn)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(guān)重要。

集成 DAQ 模塊能夠節省時(shí)間和空間

為了既能滿(mǎn)足性能要求，又能減小尺寸、縮短設計時(shí)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(shí)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(jiàn)部分，以實(shí)現性能更先進(jìn)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(hù)特定型 IC 之間的空白，從而解決數據采集需求問(wèn)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(gè)常見(jiàn)信號處理模塊整合在一起。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

ADAQ4003 將一個(gè)運行速度高達 2 MS/s的高分辨率 18 位 SAR ADC、一個(gè)低噪聲全差分 ADC 驅動(dòng)放大器 (FDA) 、一個(gè)穩定的電壓基準緩沖器以及所有必要的關(guān)鍵無(wú)源器件整合在一起。其小型 49 觸點(diǎn)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(shí)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(lái)源：Analog Devices）

相比分立式實(shí)施方案，μModule 擁有諸多優(yōu)勢。占位面積較小，各元件之間的距離較近，可實(shí)現更好的溫度跟蹤并減少因引線(xiàn)電感和雜散電容而產(chǎn)生的寄生效應。

ADAQ4033 的功能框圖顯示了每個(gè)數據采集系統中的四個(gè)關(guān)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(lái)源：Analog Devices）

盡管其尺寸很小，但ADAQ4003 通過(guò)使用 Analog Devices 的 iPassives 技術(shù)集成了關(guān)鍵的無(wú)源元件。集成無(wú)源器件是在同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò )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?xún)?。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(wú)源元件的良好匹配度。由于在共同的基底上實(shí)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(shí)鐘速度可以達到 2 MS/s，但在運行時(shí)不會(huì )出現丟碼狀態(tài)。無(wú)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(xiàn)性度通常為百萬(wàn)分之三 (ppm) 。輸入電阻陣列可以通過(guò)引腳綁定，允許進(jìn)行 0.454、0.909、1.0 或 1.9 增益設置，以使輸入與 ADC 的滿(mǎn)刻度范圍相匹配，從而最大限度地提高其動(dòng)態(tài)范圍。關(guān)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(dòng)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(gè)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(jìn)行單端到差分的轉換器件。

有一個(gè)單極 RC 濾波器，通過(guò)在 FDA 驅動(dòng)器和ADC 之間的內部元件以差分方式實(shí)現。這種設計是為了限制 ADC 輸入端的噪聲，減少來(lái)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(gè)在單位增益下配置的基準緩沖器，從而能以最佳方式驅動(dòng) SAR ADC 參考節點(diǎn)的動(dòng)態(tài)輸入阻抗。此外，還包括了所有用于電壓參考節點(diǎn)和電源的、必需的去耦電容器。這種去耦電容器的特點(diǎn)是具有較小的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL)。事實(shí)上對于 ADAQ4003 來(lái)說(shuō)，這些電容器是內部器件，因此能進(jìn)一步簡(jiǎn)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(shí)鐘速率下僅為 51.5 mW，并且在較低時(shí)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(gè)模型。該公司還提供 IBIS 模型用于其他商業(yè)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(guò)將 1.0 kΩ 和 1.1 kΩ 的輸入電阻串聯(lián)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(shí)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(lái)源：Art Pini）

LTspice 模型是任何設計的起點(diǎn)，可以使用評估板進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

評估板

在考慮 ADAQ4003 時(shí)，明智的做法是使用 EVAL-ADAQ4003FMCZ 評估板對其進(jìn)行測試。這個(gè)多板套件包括評估板和一個(gè)現場(chǎng)可編程陣列夾層卡。這些產(chǎn)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(chǎn)品特定型插件的分析/控制/評估 (ACE)?演示軟件，以便用戶(hù)進(jìn)行詳細的產(chǎn)品測試，包括諧波分析以及積分和差分非線(xiàn)性測量。

總結

對于負責快速開(kāi)發(fā)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(gè)不錯的選擇。通過(guò)消除分立元件選型、優(yōu)化和布局帶來(lái)的信號鏈設計挑戰，該器件縮短了精密測量系統的開(kāi)發(fā)周期。ADAQ4003 通過(guò)為單個(gè)元件提供經(jīng)過(guò)優(yōu)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(jìn)一步簡(jiǎn)化設計過(guò)程。