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如何有效平衡测试和测量解决方案的延迟、带宽和性能

来源: digikey
2022-11-18
类别:工业控制
eye 115
文章创建人 Bill Schweber

原标题:如何有效平衡测试和测量解决方案的延迟、带宽和性能

  汽车测试台和硬件在环 (HIL) 子系统等测试和测量解决方案的设计人员面临着越来越大的挑战,需要在高性能与更低延迟和更宽带宽之间找到最佳平衡点。同时,他们需要灵活性和可重新配置性以支持快速变化的系统需求并服务于广泛的用例。

  传统上,满足这些要求——同时随着采样率的增加保持精确的交流和直流性能——需要大量的设计/调试时间和精力。在更改组件以适应测试台和仪器目标的变化时,这种努力会随着任何重新设计而增加。

  更好的替代方案是基于可编程、可重新配置和可重复使用的设备的平台方法。这些“锚”部分建立了一个性能基准,可以在单一类型应用程序甚至多个不同应用程序的变体中使用和重复使用。

  本文以Analog Devices AD3552R数模转换器 (DAC) 为例,介绍可编程组件如何实现设计人员创建可扩展、易于优化、可重新配置的信号链平台的目标。讨论评估板和LTspice支持以帮助设计人员入门。还推出了高度集成的ADAQ23878模数转换器 (ADC),它与 AD3552R 一起构成了基于平台的方法的两个关键且互补的锚定部件。

  集成和可编程性简化设计

  随着测试系统要求的变化,尽管增加了设计和组件成本,但用于最大限度地提高精度和最小化错误的传统且通常成功的技术是:

  选择“更好”的组件,例如具有更严格公差或更低温度系数的电阻器,以最大程度地减少初始性能以及随着时间和温度变化的不足。

  使用在很大程度上支持不可避免错误的自我消除的拓扑结构,例如匹配电阻器和差分电路或经典的惠斯通电桥。

  通过使用“黄金”组件提供初始和持续校准,例如可以与所有其他关键电压进行比较的精密电压参考。

  当应用需要 ADC 和 DAC 的高更新率时,使用这些技术的成功对测试系统设计人员来说变得更具挑战性。

  为了消除其中的许多挑战,可编程的、基于平台的方法提供了一个更好的选择,它可以最大限度地减少甚至消除为初始项目“从头开始”设计的需要,以及随着需求的变化。该方法还确保以一致的方式评估和模拟设计。这种可编程方法的关键要素是 DAC(图 1)。

  

DAC 的图像是测试和仪器应用中的关键功能


  图 1:DAC 是测试和仪器应用中的关键功能;随着测试系统要求变得更具挑战性,其功能受到密切关注。(图片来源:Analog Devices)

  DAC 的性能和功能越来越受到测试和控制应用的“压力”,这些应用需要在宽电压范围内实现高精度、低延迟和快速稳定。它们还需要灵活性,并且需要轻松重新配置,而无需经过完整或复杂的重新设计和重新认证周期。这些应用包括硬件在环、电子扫描显微镜、电阻抗断层扫描或质谱仪等等。快速更新有助于加快扫描应用程序的速度,而低延迟有助于在使用 ADC 提供反馈的应用程序中增加闭环带宽。

  ADI AD3552R 可以满足性能目标,因为它是一款 16 位、每秒 3300 万次更新 (MUPS)、多跨度、双输出 SPI DAC(图 2)。除了基本的性能属性外,AD3552R 的另一个优势是可以轻松地对其进行重新配置以满足新的或不断变化的项目目标。这种可重构性包括保证它将以高度自信的方式实现这些目标,而不是带来新的和不需要的“惊喜”。

  

Analog Devices AD3552R 示意图是一款 16 位、33 MUPS、多跨度、双输出 SPI DAC(点击放大)


  图 2:AD3552R 是一款 16 位、33 MUPS、多跨度、双输出 SPI DAC,可以针对不同的性能属性轻松重新配置。(图片来源:Analog Devices)

  AD3552R 采用 5 毫米 (mm) × 5 mm LFCSP 封装,采用固定的 2.5 伏基准供电,但可通过软件配置为多个电压跨度输出范围。它还可以实现性能、精度、速度和灵活性的最佳平衡。

  该器件包含三个漂移补偿反馈电阻器,以支持缩放输出电压的外部跨阻放大器 (TIA)。偏移和增益缩放寄存器允许生成多个输出跨度范围,例如 0 至 2.5 伏、0 至 5 伏、0 至 10 伏、-5 至 +5 伏和 -10 至 +10 伏,以及具有完整 16 位分辨率的自定义中间范围。

  此外,为了解决众所周知的“速度与精度”难题,AD3552R DAC 可以在快速模式下运行以实现最大更新率,或以精度模式运行以在整个温度范围内实现最高精度和最大准确度。在快速模式下,DAC 数据作为 16 位字加载,从而产生 33 MUPS 的单通道更新速率。相比之下,在精确模式下,数据以 24 位字的形式写入,导致单通道更新速率为 22 MUPS。

  对于那些需要更低噪声密度和更快建立时间并且可以接受更高功耗的应用,AD3552R 支持组合两个 DAC 通道以产生单个输出(图 3)。两个 DAC 可以使用相同的代码同时更新,而不会影响更新率。

  

Analog Devices AD3552R 的两个输出示意图


  图 3:可以组合 AD3552R 的两个输出以降低噪声密度并缩短稳定时间。(图片来源:Analog Devices)

  该器件的 SPI 接口也具有灵活性,因为它可以配置为单 SPI(经典 SPI)、双 SPI、同步双 SPI 和四 SPI 模式,支持单数据速率 (SDR) 或双数据速率 (DDR) 操作,逻辑电平为 1.2 至 1.8 伏。此外,由于数据完整性也是一个持续且日益受到关注的问题,因此可以使设备结合循环冗余校验 (CRC)。还集成了多个错误检查器来检测 VREF 故障或内存映射损坏。

  仿真模型加速配置,灌输信心

  尽管 AD3552R 是一款宽带精密器件,但其众多用户可编程参数之间始终存在权衡取舍。为了加速了解这些设计选项的影响并帮助设计人员着手,它得到了评估板和 LTspice 的支持,用于评估噪声、瞬态分析、AC 仿真和其他参数。这简化了延迟/性能优化,因此设计人员无需设置参数值或在没有可靠数据的情况下做出妥协。

  在信号链中使用 LTspice 的能力将其所有元素结合在一起,因此用户可以清楚地了解完整的信号链性能。这一点尤为重要,因为 AD3552R 提供:

  十个电流量程;由数字配置的增益缩放值的组合产生。

  三个互阻抗增益值;由其中一个反馈电阻的连接引起的。

  共有 511 个数字配置的 DC 偏置值。

  总共有 15,330 种组合,显然超出了任何“动手”试验板方法甚至选择性手动评估的范围。

  AD3552R 的 LTspice 模型通过更加数字化的仿真更新了传统的以模拟输出为中心的 DAC 模型。可以模拟模型中某些寄存器的功能,特别是与数字增益缩放和 DC 偏移相关的功能,并且该模型还能够以高保真度再现动态和噪声性能。LTspice 软件模拟的 AD3552R 性能特征包括:

  输出范围模拟:直流扫描模拟可用于确认给定参数配置的输出电压范围。它还考虑了运算放大器的余量(范围的顶部)和余量(范围的底部)施加的限制,从而可以轻松预测输出信号的任何饱和。

  阶跃响应调整:阶跃波形的瞬态仿真有助于调整 TIA 的反馈电容器和输出滤波器的值,以实现所需的上升时间、稳定时间和过冲,并且可以与参数扫描结合使用找到零件的最佳值。该仿真还考虑了放大器和 DAC 的驱动能力,以估计信号的转换速率和上升时间。(请注意,此值是一个起点,因为仿真电路不包括电路板和零件封装的寄生效应。)

  交流带宽仿真:交流扫描仿真可用于在输出信号为谐波的应用中调整 TIA 的反馈电容器和输出滤波器的值。

  噪声密度仿真:这可以预测 DAC 和 TIA 输出端的噪声密度,包括 1/f 区域和热噪声区域。AD3552R 的 LTspice 模型捕获噪声密度随代码的变化,还考虑了 TIA 的增益,TIA 放大了电流 DAC 输出端的噪声。

  有关 LTspice 的更多信息,请参阅“如何在敏感仪器设计过程中使用 LTspice 确定照片传感噪声性能”和AD3552R LTspice 模型。

  使用真实硬件练习、测试

  仿真非常有用和必要,但正如任何有经验的工程师所知,它们不能完全取代真实世界的评估,尤其是当设备外部的寄生效应等因素会影响性能时。对于 AD3552R,使用 EVAL-AD3552RFMCxZ 可以满足这一需求,它有两种变体:用于更高速度的EVAL-AD3552RFMC1Z和用于更高精度的 EVAL-AD3552RFMC2Z(图 4)。

  

Analog Devices EVAL-AD3552RFMCxZ 图片


  图 4:EVAL-AD3552RFMCxZ(左:顶层;右:底层)有两个相似的版本,一个针对速度进行了优化,另一个针对精度进行了优化。(图片来源:Analog Devices)

  该板的软件使用 ADI 的“分析、控制、评估”(ACE) 包,这是一个桌面应用程序,可以评估和控制 ADI 产品组合中的多个评估系统。该应用程序由一个通用框架和各个组件特定的插件组成。

  对于 AD3552R,ACE 有多个视图来控制 DAC 的不同方面。首次打开视图时,它会在主窗口顶部创建一个新选项卡。AD3552R 插件生成一个视图层次结构:电路板视图、芯片视图、内存映射视图以及结合了波形发生器视图和矢量发生器视图的分析视图(图 5)。

  

Analog Devices AD3552R 的 ACE 插件示意图


  图 5:AD3552R 的 ACE 插件生成从高级系统视图到基础级分析视图的视图层次结构。(图片来源:Analog Devices)

  Board View 显示评估板的简化图,包括一些相关的连接器和芯片之间的互连。

  芯片视图显示了芯片的简化内部图,其中显示了接口逻辑、DAC 内核、精密反馈电阻器以及这些模块的相关引脚。

  Memory Map视图显示了AD3552R的整个配置空间;该空间可以显示为寄存器列表或位域列表。

  波形发生器视图允许将矢量分配给通道并开始或停止波形生成。

  矢量发生器视图允许定义或加载稍后可以分配给 DAC 通道的波形。

  使用评估板和 ACE 软件,AD3552R 的用户可以通过 LTspice 模拟器确认他们做出的决定并根据需要进行调整。用户还可以使用其众多寄存器和可编程功能和特性来使用该设备。

  探索其他数据采集选项

  可用于创建可扩展、易于优化、可重新配置的信号链平台的高度可编程组件选项不仅限于 AD3552R 等设备。

  例如,Analog Devices 的 ADAQ23878 是一款 18 位、15 MSPS µModule 引脚绑定解决方案 ADC。这种高速数据采集解决方案通过使用现成的设备消除了元件选择、优化和布局的大部分设计负担,从而简化并加快了精密测量系统的开发周期。

  ADAQ23878 采用系统级封装 (SIP) 技术,通过在单个器件中组合多个通用信号处理和调节模块来减少终端系统组件数量。它包括一个低噪声、全差分 ADC 驱动器放大器、一个稳定的参考缓冲器和一个高速、18 位、15 MSPS 逐次逼近寄存器 (SAR) ADC(图 6)。

  

Analog Devices ADAQ23878 结合了信号处理和调节块的图表(点击放大)


  图 6:ADAQ23878 在单个器件中结合了信号处理和调节块,最大限度地减少了对外部组件的需求。(图片来源:Analog Devices)

  ADAQ23878 还集成了具有卓越匹配和漂移特性的关键无源元件,这些元件通过使用 ADI 的 iPassive 技术获得,可最大限度地减少与温度相关的误差源以实现最佳性能。仅 9 mm × 9 mm 的小尺寸、0.8 mm 间距和 100 球 CSP BGA 封装,可在不牺牲性能的情况下实现更小的外形尺寸仪器(图 7)。

  

Analog Devices ADAQ23878 的 SIP 技术图片


  图 7:ADAQ23878 的 SIP 技术将有源和无源元件集成在一个易于应用的单一器件中,同时能够最大限度地减少与漂移相关的误差源。(图片来源:Analog Devices)

  系统集成解决了许多设计挑战,同时该器件仍然提供可配置 ADC 驱动器反馈环路的灵活性,以允许增益或衰减调整,以及全差分或单端到差分输入。

  例如,它可以是完整流式细胞仪的核心(参见“使用高精度数据采集模块快速实施流式细胞仪设计”),或者是精度、带宽和漂移性能与同类产品相当的宽范围电流测量系统用于生产测试环境的台式和机架式测试设备(图 8)。同时,该解决方案足够小,可以集成到需要持续监控的应用程序中。该设计结合使用分流电阻、板载放大器和 ADAQ23878 μModule,可对三个电流范围进行高精度测量。

  

Analog Devices ADAQ23878 作为数据采集系统核心的示意图(点击放大)


  图 8:ADAQ23878 借助适当的特定于应用的有源和无源支持组件,充当数据采集系统的核心,可在宽动态范围内进行精确的电流测量。(图片来源:Analog Devices)

  结论

  测试和测量设备的设计人员需要精度、性能和灵活性,同时还能够轻松地重新配置基本设计以服务于广泛的用例。如图所示,AD3552R DAC 等组件具有许多可编程参数,可以根据需要快速轻松地进行定制。AD35525 与 ADAQ23878 ADC 一起,在 LTspice、评估板和软件等工具的支持下,在基于平台的系统设计测试方法中发挥着关键作用,该方法提供了所需的灵活性和性能,同时最大限度地减少了重新配置所需的时间。


责任编辑:David

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