典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其核心元件

本文簡要介紹了典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其核心元件。然后介紹AnalogDevices Inc的數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 模塊，該模塊集成了許多關(guān)鍵元件，可提供穩(wěn)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(shè)計(jì)者熟悉該數(shù)據(jù)采集模塊及其使用。

工業(yè)自動化和醫(yī)療保健系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者正越來越多地采用先進(jìn)的感測、探測以及圖像和視頻捕捉技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化和分析。然而，分析的好壞取決于輸入數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)采集又依賴于高性能、高動態(tài)范圍、精確和穩(wěn)定的信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換塊。如使用分立式電路方法設(shè)計(jì)這些模塊，就需要大量的設(shè)計(jì)資源、設(shè)計(jì)時(shí)間和電路板空間，所有這些都將增加總成本。

同時(shí)，設(shè)計(jì)者需要確保其最終系統(tǒng)能夠保持競爭力，這意味著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(tǒng)的元件

圖 1 所示便是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所關(guān)注的信號通過傳感器采集，該傳感器為響應(yīng)一些物理現(xiàn)象會輸出一個(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(diào)節(jié)。為了從模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 獲得盡可能大可能的動態(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(diào)通常通過精密電阻控制，且必須根據(jù)動態(tài)和溫度漂移情況進(jìn)行仔細(xì)匹配。溫度依賴性通常要求兩個(gè)元器件之間的實(shí)際距離很小。動態(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(tǒng)從傳感器獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行調(diào)節(jié)，優(yōu)化施加到 ADC 的信號振幅，然后將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)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(tài)范圍，用分辨率的位數(shù)表示。該器件還需要一個(gè)穩(wěn)定、干凈的緩沖式電壓基準(zhǔn)。

最后，采集的數(shù)據(jù)必須能夠通過通信接口訪問。使用分立元件實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要更多的空間，而且往往會導(dǎo)致在性能方面遠(yuǎn)不如集成器件。我們以通過差分放大器驅(qū)動 ADC 為例來考慮其性能要求，即必須使放大器兩個(gè)輸入端的的輸入和反饋電阻嚴(yán)格匹配，因?yàn)槿魏尾黄胶舛紩档凸材Ｒ种票?(CMRR) 。同樣，輸入電阻必須與反饋電阻精確匹配，以設(shè)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(yīng)最小化至關(guān)重要。

集成 DAQ 模塊能夠節(jié)省時(shí)間和空間

為了既能滿足性能要求，又能減小尺寸、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，設(shè)計(jì)者可以使用 Analog Devices 的ADAQ4003BBCZμModule 系統(tǒng)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(cè)重于整合包括信號調(diào)節(jié)和數(shù)字化在內(nèi)的信號鏈中最常見部分，以實(shí)現(xiàn)性能更先進(jìn)的、更完整的信號鏈解決方案。這樣，就可填補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)采集需求問題。

圖 2：μModule SIP 的剖面圖。該器件以其側(cè)面只有 7 mm 大小的外形將多個(gè)常見信號處理模塊整合在一起。（圖片來源：AnalogDevices）

ADAQ4003 將一個(gè)運(yùn)行速度高達(dá) 2 MS/s的高分辨率 18 位 SAR ADC、一個(gè)低噪聲全差分 ADC 驅(qū)動放大器 (FDA) 、一個(gè)穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)緩沖器以及所有必要的關(guān)鍵無源器件整合在一起。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(hù)蓋的ADAQ4003（左）與能實(shí)現(xiàn)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：AnalogDevices）

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(xiàn)更好的溫度跟蹤并減少因引線電感和雜散電容而產(chǎn)生的寄生效應(yīng)。

ADAQ4033 的功能框圖顯示了每個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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。（圖片來源：Analog Devices）

盡管其尺寸很小，但ADAQ4003 通過使用 Analog Devices 的 iPassives 技術(shù)集成了關(guān)鍵的無源元件。集成無源器件是在同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)無源網(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% 以內(nèi)。相鄰的元件之間的間隔非常小，在初始值方面具有遠(yuǎn)超分立式無源元件的良好匹配度。由于在共同的基底上實(shí)現(xiàn)以及組件的集成結(jié)構(gòu)，因此也可在在溫度、機(jī)械應(yīng)力和老化壽命方面更好地跟蹤組件的數(shù)值。

如前所述，SAR 18 位 ADC 的時(shí)鐘速度可以達(dá)到 2 MS/s，但在運(yùn)行時(shí)不會出現(xiàn)丟碼狀態(tài)。無源元器件的精確數(shù)值和匹配度保證了 ADC 的卓越性能。在0.454 的增益設(shè)置下，典型信噪比 (SINAD) 為 99dB。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(jìn)行 0.454、0.909、1.0 或 1.9 增益設(shè)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(tài)范圍。關(guān)鍵部件的匹配使得在 0.454 增益范圍內(nèi)，增益誤差漂移為 ±0.5 ppm/C°、失調(diào)誤差漂移為 0.7 ppm/C°。

在 ADC 模塊之前是 FDA 驅(qū)動器，且在差分配置的所有增益范圍內(nèi) 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(shè)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(zhuǎn)換器件。

有一個(gè)單極 RC 濾波器，通過在 FDA 驅(qū)動器和ADC 之間的內(nèi)部元件以差分方式實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)是為了限制 ADC 輸入端的噪聲，減少來自 SAR ADC 的容性數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhǔn)緩沖器，從而能以最佳方式驅(qū)動 SAR ADC 參考節(jié)點(diǎn)的動態(tài)輸入阻抗。此外，還包括了所有用于電壓參考節(jié)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 來說，這些電容器是內(nèi)部器件，因此能進(jìn)一步簡化物料清單 (BOM) 。

ADAQ4003 的數(shù)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(dú)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(yùn)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(shù)字信號分離式布局，這有助于計(jì)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(cè)，數(shù)字信號位于右側(cè)，讓設(shè)計(jì)者能夠隔離敏感的模擬和數(shù)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(fèi)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，通過將 1.0 kΩ 和 1.1 kΩ 的輸入電阻串聯(lián)將 FDA 的增益設(shè)置為 0.454。該模型的參考電壓設(shè)置為 5 V，使用 2 MS/s 轉(zhuǎn)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。（圖片來源：Art Pini）

LTspice 模型是任何設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，可以使用評估板進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)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(xiàn)場可編程陣列夾層卡。這些產(chǎn)品與 Analog Devices 的EVAL-SDP-CH1Z系統(tǒng)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，以便用戶進(jìn)行詳細(xì)的產(chǎn)品測試，包括諧波分析以及積分和差分非線性測量。

總結(jié)

對于負(fù)責(zé)快速開發(fā)高性能 DAQ 系統(tǒng)，并需要將尺寸和成本控制在最低水平的設(shè)計(jì)人員，ADAQ4003 μModule 是一個(gè)不錯的選擇。通過消除分立元件選型、優(yōu)化和布局帶來的信號鏈設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，該器件縮短了精密測量系統(tǒng)的開發(fā)周期。ADAQ4003 通過為單個(gè)元件提供經(jīng)過優(yōu)化的、節(jié)省空間的數(shù)據(jù)采集解決方案作為定制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)過程。