Como equilibrar bem a latência, largura de banda e desempenho em soluções de teste e medição

Os projetistas de soluções de teste e medição, tais como bancos de ensaio automotivos e subsistemas HIL (Hardware-in-the-loop), são cada vez mais desafiados a encontrar o equilíbrio ideal de alto desempenho com menor latência e maior largura de banda. Ao mesmo tempo, eles precisam de flexibilidade e reconfigurabilidade para suportar as rápidas mudanças nas exigências do sistema e para atender a uma grande variedade de casos de uso.

Tradicionalmente, atender a essas exigências — mantendo o desempenho de precisão CA e CC como taxas de amostragem — exige tempo e esforço significativos de projeto/depuração. Este esforço aumenta com qualquer novo projeto ao mudar os componentes para acomodar mudanças nos objetivos do banco de ensaio e da instrumentação.

Uma alternativa melhor é uma abordagem de plataforma baseada em dispositivos programáveis, reconfiguráveis e reutilizáveis. Estas peças "âncora" estabelecem uma linha de base de desempenho que pode ser usada — e reutilizada — em variações cruzadas de um único tipo de aplicação ou mesmo de várias aplicações díspares.

Este artigo apresenta o conversor digital para analógico (DAC) AD3552R da Analog Devices como um exemplo de como componentes programáveis podem atingir os objetivos dos projetistas para criar uma plataforma escalonável de cadeia de sinais, reconfigurável e facilmente otimizada. As placas de avaliação e o suporte LTspice são discutidos para ajudar os projetistas a começar. Também é introduzido o conversor analógico-digital (ADC) ADAQ23878 altamente integrado que, junto com o AD3552R, pode formar duas peças de âncora críticas e complementares para uma abordagem baseada em plataforma.

A integração e a programabilidade simplificam os projetos

Conforme os requisitos do sistema de teste mudam, estas são as técnicas tradicionais e frequentemente bem sucedidas que têm sido usadas para maximizar a precisão e minimizar o erro (embora com design e custo de componentes adicionais):

• Escolher componentes "melhores", tais como resistores com tolerância mais próximas ou coeficiente de temperatura mais baixo, a fim de minimizar as inadequações tanto no desempenho inicial quanto ao longo do tempo e da temperatura.
• Usar topologias que suportam em grande parte o auto-cancelamento de erros inevitáveis, tais como resistores casados e circuitos diferenciais ou a clássica ponte de Wheatstone.
• Fornecer calibração inicial e contínua através do uso de um componente "valioso", tal como uma referência de tensão de precisão com a qual todas as outras tensões principais podem ser comparadas.

O sucesso no uso destas técnicas se torna mais desafiador para os projetistas de sistemas de teste quando a aplicação requer altas taxas de atualização para o ADC e o DAC.

Para eliminar muitos desses desafios, uma abordagem programável e baseada em plataformas oferece uma opção melhor, minimizando — ou mesmo eliminando — a necessidade de projetar "do zero" o projeto inicial, e à medida que os requisitos mudam. A abordagem também garante um meio consistente de avaliação e simulação de um projeto. Um elemento crítico desta abordagem programável é o DAC (Figura 1).

Figura 1: O DAC é uma função importante em aplicações de teste e instrumentação; suas capacidades estão sob escrutínio minucioso à medida que os requisitos do sistema de teste se tornam mais desafiadores. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O desempenho e as capacidades do DAC estão sendo cada vez mais "forçados" por aplicações de teste e controle que exigem precisão e alta velocidade em uma ampla gama. Eles também exigem flexibilidade e precisam ser facilmente reconfigurados sem passar por um ciclo completo ou complicado de novo projeto e requalificação.

O ADI AD3552R pode abordar objetivos de desempenho, pois é um DAC de 16 bits, 33 milhões de atualizações por segundo (MUPS), de múltipla faixa e SPI de saída dupla (Figura 2). Além dos atributos básicos de desempenho, outra vantagem do AD3552R é a facilidade com que ele pode ser reconfigurado para atender aos objetivos novos ou mutáveis do projeto. Essa reconfigurabilidade inclui a garantia de que ela atingirá esses objetivos com um alto nível de confiança, em vez de trazer novas e indesejadas "surpresas".

Figura 2: O AD3552R é um DAC de 16 bits, 33 MUPS, de múltipla faixa e SPI de saída dupla que pode ser facilmente reconfigurado para diferentes atributos de desempenho. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O AD3552R está disponível em um invólucro LFCSP de 5 milímetros (mm) × 5 mm e opera com uma referência fixa de 2,5 volts, mas pode ser configurado através de software para múltiplas faixas de saída de tensão. Também permite um ótimo equilíbrio de desempenho, precisão, velocidade e flexibilidade.

O dispositivo incorpora três resistores de realimentação compensação de desvio para suportar o amplificador de transimpedância (TIA) externo que escalona a tensão de saída. Os registradores de offset/compensação e escala de ganho permitem a geração de múltiplos intervalos de saída, tais como 0 a 2,5 volts, 0 a 5 volts, 0 a 10 volts, -5 a +5 volts, e -10 a +10 volts, bem como intervalos intermediários personalizados com resolução total de 16 bits.

Além disso, para resolver o conhecido dilema "velocidade versus precisão", o DAC AD3552R pode operar no Modo Rápido para velocidade máxima e tempo de acomodação mais rápido, ou no Modo Preciso para a máxima e mais alta precisão. No Modo Rápido, os dados do DAC são carregados como uma palavra de 16 bits, resultando em uma taxa de atualização de um único canal de 33 MUPS. Em contraste, no Modo Preciso, os dados são escritos em 24 bits, resultando em uma taxa de atualização de um único canal de 22 MUPS.

Para aquelas aplicações que requerem menor densidade de ruído com tempo de acomodação mais rápido, e que podem aceitar maior consumo de energia, o AD3552R suporta a combinação dos dois canais DAC para produzir uma única saída (Figura 3). Ambos os DACs devem ser atualizados simultaneamente com o mesmo código para obter a mesma saída de tensão obtida usando um único DAC; o AD3552R fornece várias maneiras eficientes de fazer isso.

Figura 3: As duas saídas do AD3552R podem ser combinadas para uma menor densidade de ruído com um tempo de acomodação mais rápido. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Há também flexibilidade na interface SPI do dispositivo, pois ele pode ser configurado em SPI simples (SPI clássico), SPI duplo, SPI síncrono duplo e modos SPI quádruplo, com operação de taxa de dados simples (SDR) ou taxa de dados dupla (DDR), e com níveis lógicos de 1,2 a 1,8 volts. Além disso, como a integridade dos dados também é uma preocupação constante e crescente, o dispositivo pode ser habilitado para incorporar uma verificação de redundância cíclica (CRC). Também foram integrados verificadores de erros múltiplos para detectar falhas VREF ou corrupção do mapa de memória.

Modelos de simulação agilizam a configuração e inspiram confiança

Embora o AD3552R seja um dispositivo de precisão de banda larga, sempre haverá contrapartidas entre seus muitos parâmetros programáveis pelo usuário. Para acelerar a compreensão do impacto destas opções de projeto e ajudar os projetistas a começar, ele é apoiado por placas de avaliação, bem como LTspice para avaliação de ruído, análise transiente, simulação CA e outros parâmetros. Isto simplifica a otimização da latência/desempenho, para que os projetistas não tenham que definir valores de parâmetros ou fazer compromissos sem dados confiáveis.

A capacidade de usar LTspice na cadeia de sinais reúne todos os seus elementos para que os usuários possam entender claramente o desempenho completo da cadeia de sinais. Isto é especialmente importante pois o AD3552R oferece:

• Dez faixas de corrente; resultantes da combinação de valores de escala de ganho configurados digitalmente.
• Três valores de ganho de transimpedância; resultantes da conexão de um dos resistores de realimentação.
• Um total de 511 valores CC de offset/compensação configurados digitalmente.

Isso é um total de 15.330 combinações, claramente além do escopo de qualquer abordagem "mão na massa" ou mesmo avaliação manual seletiva.

O modelo LTspice para o AD3552R atualiza os modelos DAC tradicionais focados em saída analógica com uma simulação mais focalizada digitalmente. A funcionalidade de alguns registradores no modelo — especialmente aqueles relacionados à escala de ganho digital e de compensação CC — pode ser simulada, e o modelo também é capaz de reproduzir o desempenho dinâmico e de ruído com alta fidelidade. Entre as características de desempenho do AD3552R que o software LTspice simula, estão:

• Simulação da faixa de saída: A simulação de varredura CC é útil para confirmar a amplitude da tensão de saída para uma determinada configuração de parâmetros. Ela também contabiliza as limitações impostas pela margem superior e inferior de valor do amplificador operacional, facilitando a antecipação de qualquer saturação do sinal de saída.
• Sintonia da resposta temporal: A simulação transiente com uma forma de onda temporal é útil para ajustar o valor do capacitor de realimentação e do filtro de saída do TIA para alcançar o tempo de subida desejado, o tempo de acomodação e o overshoot, e pode ser combinada com uma varredura paramétrica para encontrar os valores ideais das peças. A simulação também contabiliza a capacidade de acionamento do amplificador e do DAC para estimar a taxa de inclinação e o tempo de subida do sinal. (Note que este valor é um ponto de partida porque o circuito de simulação não inclui os efeitos parasitas da placa e dos invólucros das peças).
• Simulação CA de largura de banda: A simulação da varredura CA é útil para ajustar os valores do capacitor de realimentação e do filtro de saída do TIA em aplicações onde o sinal de saída é harmônico.
• Simulação da densidade de ruído: Isto permite prever a densidade do ruído na saída do DAC e do TIA, tanto na região 1/f como na região do ruído térmico. O modelo LTspice do AD3552R captura a variação da densidade de ruído com o código, e também contabiliza o ganho do TIA, que escalona o ruído na saída do DAC atual.

Para mais informações sobre LTspice, consulte "Como usar LTspice para determinar o desempenho de ruído fotossensorial durante o projeto de instrumentos sensíveis".

Prática, teste, com hardware real

As simulações são extremamente úteis e necessárias, mas como qualquer engenheiro experiente sabe, elas não podem substituir totalmente uma avaliação do mundo real, especialmente quando fatores como efeitos parasitas fora do dispositivo podem afetar o desempenho. Para o AD3552R, esta necessidade é atendida utilizando o EVAL-AD3552RFMCxZ, que está disponível em duas variantes: o EVAL-AD3552RFMC1Z para maior velocidade, e o EVAL-AD3552RFMC2Z para maior precisão (Figura 4).

Figura 4: O EVAL-AD3552RFMCxZ (esquerda: camada superior; direita: camada inferior) vem em duas versões similares, uma otimizada para velocidade e a outra otimizada para precisão. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O software para a placa utiliza o pacote "Análise, Controle, Avaliação" (ACE) da ADI, um aplicativo de ambiente de trabalho que permite a avaliação e o controle de múltiplos sistemas de avaliação em todo o portfólio de produtos da ADI. O aplicativo consiste em uma estrutura comum e plug-ins específicos para cada componente.

Para o AD3552R, o ACE tem várias visualizações para controlar diferentes aspectos do DAC. Quando uma visualização é aberta pela primeira vez, ela cria uma nova aba na parte superior da janela principal. O plug-in AD3552R produz uma hierarquia de visualizações: Board View, Chip View, Memory Map View e Analysis View que combina o Waveform Generator View e o Vector Generator View (Figura 5).

Figura 5: O plug-in ACE para o AD3552R produz uma hierarquia de visualizações desde uma visualização de sistema de alto nível até uma visualização de análise em nível básico. (Fonte da imagem: Analog Devices)

• O Board View exibe um diagrama simplificado da placa de avaliação, incluindo alguns conectores relevantes e a interconexão entre os chips.
• O Chip View exibe um diagrama interno simplificado do chip mostrando a lógica da interface, os núcleos DAC, os resistores de realimentação de precisão e os pinos relevantes para esses blocos.
• O Memory Map View exibe todo o espaço de configuração do AD3552R; este espaço pode ser exibido como uma lista de registradores ou como uma lista de campos de bits.
• O Waveform Generator View permite designar vetores para os canais e iniciar ou parar a geração de formas de onda.
• O Vector Generator View permite definir ou carregar formas de onda que podem ser posteriormente atribuídas aos canais DAC.

Usando a placa de avaliação e o software ACE, os usuários do AD3552R podem confirmar as decisões que tomaram através do simulador LTspice e ajustar conforme necessário. Os usuários também podem se exercitar com o dispositivo com seus muitos registradores, recursos e funções programáveis.

Explore outras opções de aquisição de dados

As opções de componentes altamente programáveis que podem ser usadas para criar plataformas escalonáveis de cadeia de sinais, facilmente otimizáveis e reconfiguráveis não estão limitadas a dispositivos como o AD3552R.

Por exemplo, o ADAQ23878 da Analog Devices é uma solução de µMódulo ADC de 18 bits, 15-MSPS com pinos conectáveis. Esta solução de aquisição de dados de alta velocidade simplifica e acelera o ciclo de desenvolvimento de sistemas de medição de precisão, eliminando grande parte da carga de projeto da seleção de componentes, otimização e layout através do uso de um dispositivo pronto para uso.

Usando a tecnologia SIP (system-in-package), o ADAQ23878 reduz a quantidade de componentes do sistema final ao combinar múltiplos blocos de processamento e condicionamento de sinais comuns em um único dispositivo. Ele inclui um amplificador acionador do ADC de baixo ruído e totalmente diferencial, um buffer de referência estável e um ADC de alta velocidade, 18 bits e 15 MSPS com registradores de aproximação sucessiva (SAR) (Figura 6).

Figura 6: O ADAQ23878 combina blocos de processamento e condicionamento de sinais em um único dispositivo, minimizando a necessidade de componentes externos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O ADAQ23878 também incorpora os componentes passivos críticos com características superiores de casamento e desvio que vêm através do uso da tecnologia iPassive da ADI, que minimiza fontes de erro dependentes da temperatura para um desempenho ideal. A pequena pegada de apenas 9 mm × 9 mm, com passo de 0,8 mm e um invólucro CSP BGA de 100 esferas, permite instrumentos com fator de forma menor sem sacrificar o desempenho (Figura 7).

Figura 7: A tecnologia SIP do ADAQ23878 incorpora componentes ativos e passivos em um único dispositivo de fácil aplicação, ao mesmo tempo em que permite a minimização de fontes de erro relacionadas ao desvio. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A integração do sistema resolve muitos desafios de projeto enquanto o dispositivo ainda oferece a flexibilidade de uma malha de realimentação configurável do acionador do ADC para permitir ajustes de ganho ou atenuação, bem como entradas totalmente diferenciais ou entradas de terminais simples para diferenciais.

Por exemplo, pode ser o núcleo de um citômetro de fluxo completo (veja, "Implemente rapidamente projetos de citômetros de fluxo usando módulos de aquisição de dados de alta precisão"), ou um sistema de medição de corrente de faixa ampla com precisão, largura de banda e desempenho de desvio comparável ao equipamento de teste de bancada e montagem em rack para um ambiente de teste de produção (Figura 8). Ao mesmo tempo, a solução é pequena o suficiente para ser incorporada em aplicações que precisam ser monitoradas continuamente.

Figura 8: Com componentes ativos e passivos de suporte da aplicação específica, o ADAQ23878 funciona como o núcleo de um sistema de aquisição de dados que produz uma medição de corrente precisa em uma ampla faixa dinâmica. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O projeto apresenta medição de alta precisão de três faixas de corrente, usando uma combinação de resistores shunt, amplificadores na placa e o μMódulo ADAQ23878. Esta solução aumenta o número de canais por placa apesar das restrições de tamanho, ao mesmo tempo em que mitiga os desafios térmicos, aliviando a carga de calibração de desvio do sistema devido ao auto-aquecimento, e otimizando o desempenho geral da precisão. O layout da placa usa resistores shunt de quatro terminais com uma conexão Kelvin embutida que reduz os efeitos do coeficiente de temperatura da resistência (TCR), oferecendo maior estabilidade de temperatura em comparação com resistores shunt de dois terminais (Figura 9).

Figura 9: O sistema completo de medição de corrente baseado no μMódulo ADAQ23878 é menor do que os conectores necessários. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

Os projetistas de equipamentos de teste e medição exigem precisão, desempenho e flexibilidade, ao mesmo tempo em que têm a capacidade de reconfigurar prontamente o projeto básico para atender a uma ampla gama de casos de uso. Como mostrado, componentes como o DAC AD3552R apresentam muitos parâmetros programáveis, permitindo que sejam adaptados de forma rápida e fácil, conforme a necessidade. Junto com o ADC ADAQ23878 e apoiado por ferramentas como LTspice e placas de avaliação e software, o AD35525 desempenha um papel fundamental em uma abordagem baseada em plataforma para projeto do sistema de teste, que fornece a flexibilidade e o desempenho necessários, enquanto minimiza o tempo necessário para a reconfiguração.