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搞定精密信号挑战,《ADI精密信号链技术的应用及发展》白皮书上线!

纵观市场,精密技术的应用无处不在,共用电网的输配电的电流检测,保护继电器设备的电机电流测量,机器人的电机控制到医疗成像,电动汽车测试中的HIL技术测试控制接口等。精密测量的应用对精密信号链也提出了挑战,你是否遇到过这些让人头痛的问题?

  • 宽带宽应用中需要低噪声

  • 硬件在环需要快速循环或低延迟

  • 交流性能测量中需要带宽上较低的失真程度

  •  ……

众所周知,ADI在几十年的发展中积累了丰富的精密技术,低Ron、低电容开关和多路复用器,隔离等,这些技术支撑着精密信号链的不断发展。ADI在精密宽带宽低延迟信号链的设计中,对这些规格进行了优化,使得噪声、延迟、宽带、失真等指标达到平衡。本篇《ADI精密信号链技术的应用及发展》白皮书将主要个绍ADI的精密低延迟测量和驱动信号链解决方案,为控制环路提供高精度性能。

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  • 精密宽带宽测量和驱动链路

    ADI广泛的产品线支持着精密宽带宽测试和驱动信号链路,由精密模数及数模转换器、高分辨率电源、宽带宽ADC驱动器到用于信号调理的精密放大器、低噪声、低漂移基准电压源等。这些产品线满足不同测量挑战和应用的要求。

    图1. 精密宽带宽测量及驱动信号链路。

    • 输入/输出通道:ADG5421F,测量通道上使用的过压故障保护开关提供高达±60V的高压保护;
    • 增益通道:LTC6373,可编程增益仪表放大器,工作电压可达36V,既为信号链提供增益也提供衰减,带宽高达4MHz,增益高达16倍;
    • 数据采集模块:ADAQ23875/ADAQ23876/ADAQ23878,15MPSP数据采集微模块,提供低延迟、快速建立时间和精密性能。该模块不仅集成了SAR ADC和ADC驱动部分,还集成了无源技术和基准电压源,实现了延迟、噪声、带宽和密度之间的平衡;
    • 隔离:ADN4654,提供高达1.1Gbps的LVDS隔离;
    • 信号生成及输出驱动:围绕AD3552R构建了输出驱动侧低延迟信号链。AD3552R是最近发布的16位电流输出DAC,输出能力可达33MUPS,满足闭环或快速建立应用的低延迟应用;
    • 设计支持工具:精密信号链的整个设计过程,从概念阶段到大规模生产会遇到不同的挑战。ADI提供丰富的工具帮助设计者解决构建信号链时的各种问题,包括在线驱动器工具、误差滤波器向导分析工具、LTSpice仿真工具、博客文章等,这些工具帮助设计者进行噪声分析,RC网络选择、误差分析和调整,达到优化链路,降低开发时间。
  • 精密宽带宽测量信号链解决方案

    图2. 低延迟精密测量的数据采集解决方案。

    图2是基于FPGA的数据采集系统框图,了解DUT电压过程有助于了解数据采集系统中低延迟性能:

    • SMU:数据采集解决方案中的信号源测量单元,任务之一是提供信号源电压和测量电流,将电压保持在恒定目标水平,并测量负载所拉动的电流。
    • DUT:被测器件

    图2中褐色虚线:目标电压;蓝色:高延迟环路中的DUT实际电压;绿色:低延迟环路中的DUT的实际电压。

    当DUT所拉动的电流提高时,DUT电压被下拉,SMU中的控制环路测量电压降通过数据采集信号路径测量。随之FPGA中的算法告知电流驱动路径增加所提供的电流,以使DUT上的总电压返回目标水平。实际电压返回目标电压的速度取决于控制环路的延迟,如绿色和蓝色电压曲线所示。环路中的延迟越低,DUT实际电压就能更好地与目标水平保持一致。因此低延迟精密测量对于数字控制环路的响应时间和精度至关重要,鉴于此,ADI开发了一系列低延迟解决方案。

  • ADAQ23878/6/5:18/16位、15MSPS、DAQ解决方案

    ADAQ23878/ADAQ23876/ADAQ23875支持低延迟精密测量,低延迟带来的快速响应可以使得DTU更好地跟踪目标电压。ADAQ2387x具有较高的集成度:集成了基准电压源和设置全差分放大器的输出共模电压电路;集成了基准电压解耦电容和低通滤波器来消除PCB布局敏感性,确保PCB设计的出色性能;集成了全差分ADC驱动器。

    ADI技术制造的高精密电阻实现了±0.005%的增益误差,±1ppm/°C的增益误差漂移使得在制造过程中无需在全温度范围内对系统级信号链进行校准。

    ADAQ23878具有多个输入范围,方便系统人员灵活地为数据采集信号链选择适当的信号扫描电平,并使其与传感器的输出特性和测量要求一致。宽输入共模模式范围为先前的信号调理级提供了更大的灵活性。放大器周围的精密电阻将模拟信号调整到ADC的输入范围内。具有LVDS接口,可将ADC数据快速传输。

    一般而言,数字环路的延迟受测量器件延迟,FPGA延迟和驱动器延迟几个因素的影响,而其中测量器件延迟为信号调理电路的相位延迟、建立时间和ADC结果传输到FPGA之间的时间延迟三个方面因素作用。ADAQ23878的测量时间延迟为115ns,建立时间性能为52ns。快速建立时间和快速转换时间相结合使ADAQ23878成为需要低延迟精密测量性能的应用的出色选择。

    图3. ADAQ2387x交直流特性。

    交直流性能均会影响系统稳定性,可喜的是ADAQ2387x具有较好的交直流性能。在设计中若交流特性不佳,可能的表现是本底噪声太大,则测量环路中的噪声会加大DUT电压上产生的随机纹波。而线性度这个直流性能参数会影响控制环路算法,非线性误差会导致控制环路算法将错误的更新应用于驱动路径而引起振荡。

    ADAQ2387x的增益为0.73,INL为2.5LSB,全温线性度误差小于±2LSB。

    ADAQ2387x系列的尺寸比分立式等效信号链解决方案小2.5倍,BGA封装的尺寸为9mm × 9mm,0.8mm的引脚间距便于PCB顶层的引脚之间布设走线。

    ADAQ23875只有一个输入范围而ADAQ23878和ADAQ23876具有多个输入范围。该产品中ADC之前的全差分驱动放大器级针对高摆率进行了优化,此特性在多路复用信号链构架中非常重要。