Simplificación del diseño de adquisición de datos de la cadena de señales con soluciones estandarizadas y personalizables

Las cadenas de señales forman parte integrante de numerosos sistemas electrónicos de comunicaciones, dispositivos biomédicos, automatización industrial, instrumentación y sensores, y muchas otras aplicaciones. Los arquitectos de sistemas y diseñadores de hardware se enfrentan a numerosos retos logísticos y técnicos para equilibrar los requisitos específicos con la necesidad de reducir las huellas, minimizar las iteraciones de diseño y acelerar el tiempo de comercialización. Estos retos abogan por soluciones más estandarizadas e integradas que puedan personalizarse para satisfacer las necesidades de las aplicaciones.

Las cadenas de señales suelen incluir componentes digitales y analógicos, como convertidores de analógico a digital (ADC), amplificadores operacionales, aisladores digitales y componentes específicos de aplicaciones. Los ingenieros y diseñadores de productos que desean crear soluciones óptimas deben tener en cuenta múltiples factores a la hora de seleccionar los componentes, como el ruido, el consumo de energía, el ancho de banda y el costo.

Muchos diseñadores crean cadenas de señales de adquisición de datos para aplicaciones como equipos de pruebas automatizados, aviación, automatización de máquinas y, en sanidad, sistemas de monitorización, diagnóstico e imagen. Las tendencias de hardware favorecen un rendimiento de conversión de datos de precisión avanzada y una mayor resistencia para diseños complejos, a menudo con limitaciones térmicas y de densidad de la placa de circuito impreso (PCB).

Conseguir una mayor tasa de producción, minimizar la potencia del sistema y proteger y controlar las entradas ADC puede crear conflictos de diseño frente al uso de circuitos integrados (CI) específicos del cliente altamente integrados o componentes estándar discretos que son más rentables. Cualquiera de los dos enfoques encarece los costos de investigación y desarrollo de bloques de cadenas de señales de alto rendimiento y precisión para las aplicaciones finales. El enfoque específico para el cliente suele ser más costoso, pero es probable que los dispositivos discretos degraden su rendimiento a lo largo de la temperatura de funcionamiento y la vida útil del circuito.

Analog Devices, Inc. (ADI) aborda los principales problemas de diseño de la cadena de señales de adquisición de datos mediante el aprovechamiento de la integración heterogénea a través de la tecnología de sistema en paquete (SiP) para lograr una mayor densidad, mayor funcionalidad, mejor rendimiento y mayor tiempo medio hasta el fallo. Las soluciones de cadena de señal de precisión μModule® de ADI proporcionan una solución compacta, personalizable e integrada que simplifica el diseño, mejora el rendimiento y ahorra tiempo de desarrollo.

Mejora de la densidad sin merma del rendimiento

Un objetivo clave de las cadenas de señales de precisión avanzadas es mejorar la densidad de la cadena de señales sin que ello repercuta negativamente en el rendimiento, ya que los diseñadores intentan encajar más canales en el mismo factor de forma o adoptar un enfoque de ADC por canal.

A menudo, las cadenas de señales de adquisición de datos deben interactuar con múltiples sensores con diferentes voltajes en modo común y señales de entrada. Entre los problemas más comunes se incluyen el desequilibrio del circuito o un desajuste en los registros de realimentación y ganancia que puede dar lugar a una relación señal/ruido (SNR), distorsión, error de ganancia y relaciones de rechazo de entrada no deseadas.

Las soluciones de cadena de señal de precisión μModule de ADI integran múltiples componentes analógicos y digitales en un solo módulo, utilizando la tecnología de pasivos integrados de la empresa iPassives con CI de acondicionamiento de señales y SiP de ADI. iPassivesse desarrolló en ADI hace varios años para superar las limitaciones y complejidades del pasado de adoptar componentes pasivos discretos fabricados por separado y conectados en una placa de circuito impreso. Esto proporciona a los desarrolladores una herramienta de diseño flexible para crear soluciones de sistema resistentes con el mejor rendimiento de su clase y ciclos de desarrollo cortos.

Con las soluciones μModule, los diseñadores pueden crear lo que parece ser un único dispositivo para ofrecer funcionalidades que antes requerían múltiples componentes discretos en soluciones a nivel de placa. Este enfoque elimina los desajustes y permite reducir el espacio ocupado.

Acelerar el tiempo de llegada al mercado

Los diseñadores de sistemas pueden alcanzar altos niveles de integración y acelerar la comercialización más rápida, al tiempo que garantizan un rendimiento de velocidad mejorado y un consumo de energía reducido a un precio asequible. El enfoque μModule permite soluciones completas empaquetadas en espacios eficientes y optimiza el rendimiento y la fiabilidad de la cadena de señal.

Las soluciones de cadena de señal de precisión μModule de ADI tienen como objetivo mejorar la densidad en un factor de forma más pequeño mediante la combinación de dispositivos de primera clase y avanzados procesos de ensamblaje 2.5D/3D, manteniendo al mismo tiempo una gestión inteligente y eficiente de los componentes del sistema. La combinación de funciones como amplificación, filtrado y ADC en un solo módulo elimina la necesidad de elaborar una compleja solución de cadena de señales de adquisición de datos con componentes individuales. Este enfoque reduce significativamente los parásitos de la interconectividad, como la inductancia, la capacitancia y la resistencia.

Con núcleos prediseñados, fabricados, caracterizados y probados, los μModules de cadena de señal de precisión de ADI pueden reducir significativamente el tiempo de diseño. También vienen con cadenas de señales preconfiguradas y recursos de soporte de ADI, incluyendo placas de evaluación y kits de desarrollo de software.

Los diseñadores pueden adaptar los parámetros y las características de la cadena de señales a los requisitos específicos de la aplicación mediante la partición inteligente de componentes. Ganancia ajustable, ancho de banda, opciones de filtrado y otras características personalizables dan como resultado una plataforma versátil que da respuesta a diversos retos de diseño.

En lugar de luchar por una intrincada implementación a nivel de circuito, con los μModules, los diseñadores de sistemas pueden centrarse en el diseño y la funcionalidad a nivel de sistema, lo que proporciona una creación de prototipos y una validación del sistema más rápidas y permite una comercialización más rápida de las aplicaciones innovadoras al promover una programación más agresiva de los procesos, desde la definición del sistema hasta la entrega de las piezas.

Los componentes pasivos que impactan en el rendimiento y las prestaciones durante la fabricación están integrados en el dispositivo μModule, lo que se traduce en menores costos secundarios, como el pick and place del ensamblaje, las pérdidas de rendimiento del PCB del sistema, el soporte de retorno de campo y la calibración de la cadena de señales. La integración de componentes pasivos en el sustrato de la placa de circuito impreso reduce las fuentes de error dependientes de la temperatura al tiempo que minimiza el número de componentes discretos e interconexiones en una placa de circuito impreso, reduciendo en última instancia las juntas estañosoldadas y mejorando la fiabilidad.

Los μModules ADAQ7980 (Figura 1) y ADAQ7988 de ADI son sistemas de adquisición de datos ADC de 16 bits que integran cuatro bloques de procesamiento de señales y acondicionamiento en un encapsulado LGA de 5 mm x 4 mm. Estos sistemas admiten diversas aplicaciones, como equipos de prueba automatizados, instrumentación alimentada por pilas, comunicaciones, control de procesos e instrumentos médicos. Los dispositivos incorporan los componentes pasivos más críticos, eliminando muchos retos de diseño asociados a las cadenas de señales tradicionales que utilizan ADC con registro de aproximaciones sucesivas (SAR). Además, es posible conectar en cadena varios dispositivos en un único bus de 3 hilos con una Interfaz periférica serial (SPI) compatible. Todos los componentes activos del Sistema en paquete (SiP) han sido diseñados por ADI, incluidos:

• ADC SAR de 16 bits de alta precisión y bajo consumo
• Controlador ADC de bajo consumo, gran ancho de banda y alta impedancia de entrada
• Búfer de referencia estable de bajo consumo
• Un bloque de gestión eficiente de la energía

Figura 1: μModule ADAQ7980 de ADI (Fuente: Analog Devices, Inc.)

Aplicación de μModules de la cadena de señales de precisión

La cartera de ADI de μModules de adquisición de datos de la cadena de señal de precisión soporta una amplia matriz de aplicaciones en diferentes industrias, como las siguientes:

Comunicaciones. El ADAQ8092 es un μModule de adquisición de datos de 14 bits, 105 MSPS, alta velocidad y doble canal para diversas aplicaciones de demodulador y adquisición de datos, como transceptores, estaciones base celulares e infraestructura de red. El dispositivo incorpora acondicionamiento de señales, un controlador ADC, una referencia de voltaje y un ADC en un único encapsulado. La separación de los circuitos de RF y digitales mitiga eficazmente las interferencias electromagnéticas provocadas por los homólogos digitales de la electrónica RF sensible al ruido.

El dispositivo forma una cadena de señales completa que integra todos los componentes activos e iPassives en un tamaño seis veces menor que una solución discreta comparable. Los capacitores de desacoplamiento de fuente de alimentación incorporados mejoran el rendimiento de rechazo de la fuente de alimentación. El ADAQ8092 funciona con alimentaciones analógicas de 3.3 V a 5 V y digitales de 1.8 V.

Automatización industrial. El ADAQ7768-1 es un μModule de adquisición de datos de precisión de 24 bits que encapsula bloques de acondicionamiento de señales, conversión y procesamiento. El dispositivo admite varios tipos de entradas, incluidos sensores IEPE, puentes resistivos, entradas de voltaje y corriente, para aplicaciones de monitorización basadas en el estado (CbM) que utilizan sensores para establecer tendencias, predecir fallos, calcular la vida útil de los activos y garantizar la seguridad de las personas.

Los usuarios pueden configurar el ADAQ7768-1 para que funcione con dos métodos de configuración de dispositivos mediante la alteración de los registros a través de su interfaz periférica serial (SPI), o un sencillo método de flejado de pines por hardware. Los siete ajustes de ganancia configurables por pin ofrecen un rango dinámico adicional del sistema y un mejor rendimiento del ruido de la cadena de señal con señales de entrada de menor amplitud.

Pruebas de automoción. El ADAQ23878 es adecuado para Hardware in the Loop (HiL) -una técnica de gemelo digital que se utiliza para probar sistemas complejos en tiempo real, como unidades de control electrónico (ECU), sistemas de dirección asistida, sistemas de suspensión, sistemas de gestión de batería o cualquier otro subsistema del vehículo. También puede utilizarse para equipos de pruebas automáticas y aplicaciones de pruebas de emisiones acústicas no destructivas, entre otras.

El ADAQ23878 combina múltiples bloques de procesamiento y acondicionamiento de señales en un único dispositivo, incluyendo una FDA de bajo ruido, un búfer de referencia estable y un ADC SAR de alta velocidad, 18 bits y 15 MSPS. Su pequeña huella, 9 mm × 9 mm, paso de 0.8 mm, matriz de malla de bola de paquete de escala de chip de 100 bolas (CSP_BGA) permite instrumentos de factor de forma más compacto sin sacrificar el rendimiento. Una Interfaz digital de señal diferencial de bajo voltaje (LVDS) en serie con modos de salida de uno o dos carriles permite al usuario optimizar la velocidad de datos de la interfaz para cada aplicación.

Conclusión:

La transformación digital y la automatización están impulsando la demanda de soluciones de adquisición de datos de la cadena de señales optimizadas para aplicaciones exigentes en electrificación, automoción, salud digital, instrumentación, industria inteligente, energía y sostenibilidad. La cadena de señal de precisión μModules de ADI ofrece a los diseñadores un equilibrio óptimo de integración y flexibilidad sin comprometer el rendimiento de la cadena de señal. La eliminación de muchos componentes discretos reduce el riesgo de rediseño del sistema, simplifica la lista de materiales del sistema y puede acortar el plazo de comercialización y reducir los costos de desarrollo.