Simplificando o projeto de aquisição de dados da cadeia de sinais com soluções padronizadas e personalizáveis

As cadeias de sinais são parte integrante de vários sistemas eletrônicos para comunicações, dispositivos biomédicos, automação industrial, instrumentação e sensores, além de muitas outras aplicações. Os arquitetos de sistemas e projetistas de hardware enfrentam inúmeros desafios logísticos e técnicos para equilibrar requisitos específicos com a necessidade de reduzir as pegadas, minimizar as iterações de projeto e acelerar o tempo de lançamento no mercado. Esses desafios justificam a necessidade de soluções mais padronizadas e integradas que ainda possam ser altamente personalizadas para atender às necessidades das aplicações.

As cadeias de sinais normalmente incluem componentes digitais e analógicos, como conversores analógico-digitais (ADCs), amplificadores operacionais, isoladores digitais e componentes específicos da aplicação. Os engenheiros e projetistas de produtos que buscam criar soluções ideais devem explorar várias compensações na seleção de componentes, incluindo ruído, consumo de energia, largura de banda e custo.

Muitos projetistas criam cadeias de sinais de aquisição de dados para aplicações como equipamentos de teste automatizados, aviação, automação de máquinas e, na área da saúde, sistemas de monitoramento, diagnóstico e imagem. As tendências de hardware favorecem o desempenho avançado de conversão de dados de precisão e o aumento da robustez para projetos complexos, muitas vezes com limitações térmicas de tensões mecânicas e de densidade da placa de circuito impresso (PCI).

A obtenção de maior taxa de transferência, a minimização da potência do sistema e a proteção e condução das entradas do ADC podem criar conflitos de projeto em relação ao uso de circuitos integrados (CIs) altamente integrados específicos do cliente ou componentes padrões discretos que sejam mais econômicos. Ambas as abordagens aumentam os custos de pesquisa e desenvolvimento no desenvolvimento de blocos de cadeia de sinal de precisão e alto desempenho para aplicações finais. A abordagem específica para o cliente geralmente é mais cara, mas os dispositivos discretos provavelmente terão seu desempenho degradado ao longo da temperatura de operação e da vida útil do circuito.

A Analog Devices, Inc. (ADI) aborda os principais problemas de projeto da cadeia de sinais de aquisição de dados, aproveitando a integração heterogênea por meio da tecnologia SiP (system-in-package) para obter maior densidade, maior funcionalidade, melhor desempenho e maior tempo médio de falha. As soluções de cadeia de sinal de precisão μModule ® da ADI fornecem uma solução compacta, personalizável e integrada que simplifica o projeto, melhora o desempenho e economiza tempo de desenvolvimento.

Aumento da densidade sem queda de desempenho

Um dos principais objetivos das cadeias de sinal de precisão avançadas é melhorar a densidade da cadeia de sinal sem afetar negativamente o desempenho, pois os projetistas tentam encaixar mais canais no mesmo fator de forma ou adotar uma abordagem de ADC por canal.

As cadeias de sinais de aquisição de dados geralmente precisam fazer interface com vários sensores com diferentes tensões de modo comum e sinais de entrada. Os problemas comuns incluem o desequilíbrio do circuito ou uma incompatibilidade nos registradores de realimentação e ganho que podem resultar em taxas indesejáveis de relação sinal-ruído (SNR), distorção, erro de ganho e rejeição de entrada.

As soluções de μModule da cadeia de sinal de precisão da ADI integram vários componentes analógicos e digitais em um único módulo, utilizando a tecnologia de passivos integrados da empresa — iPassives — com CIs e SiPs de condicionamento de sinal da ADI. A tecnologia iPassives foi desenvolvida na ADI há vários anos para superar as limitações e as complexidades do passado, com a adoção de componentes passivos discretos fabricados separadamente e conectados em uma PCI. Isso oferece aos desenvolvedores uma ferramenta de projeto flexível para criar soluções de sistema robustas com o melhor desempenho da categoria e tempos de ciclo de desenvolvimento curtos.

Com as soluções μModule, os projetistas podem criar o que parece ser um único dispositivo para oferecer funcionalidades que antes exigiam vários componentes discretos em soluções no nível da placa. Essa abordagem elimina as incompatibilidades e permite que as pegadas sejam menores.

Tempo mais rápido para o mercado

Os projetistas de sistemas podem atingir níveis mais altos de integração e acelerar o tempo de lançamento no mercado, garantindo, ao mesmo tempo, melhor desempenho de velocidade e menor consumo de energia a um preço acessível. A abordagem do μModule permite soluções completas encapsuladas em pegadas eficientes e otimiza o desempenho e a confiabilidade da cadeia de sinal.

As soluções de μModule da cadeia de sinal de precisão da ADI visam aumentar a densidade em um fator de forma menor, combinando dispositivos de primeira linha e processos avançados de montagem 2,5D/3D, mantendo o gerenciamento inteligente e eficiente dos componentes do sistema. A combinação de funções como amplificação, filtragem e ADC em um único módulo elimina a necessidade de criar uma solução complexa de cadeia de sinal de aquisição de dados com componentes individuais. Essa abordagem reduz significativamente os parasitas de interconectividade, como indutância, capacitância e resistência.

Com núcleos pré-projetados, fabricados, caracterizados e testados, os μModules de cadeia de sinal de precisão da ADI podem reduzir significativamente o tempo de projeto. Eles também vêm com cadeias de sinais pré-configuradas e recursos de suporte da ADI, incluindo placas de teste e kits de desenvolvimento de software.

Os projetistas podem adaptar os parâmetros e as características da cadeia de sinal aos requisitos específicos da aplicação por meio do particionamento inteligente dos componentes. O ganho ajustável, a largura de banda, as opções de filtragem e outros recursos personalizáveis resultam em uma plataforma versátil que atende a vários desafios de projeto.

Em vez de se preocupar com a intrincada implementação ao nível de circuito, com os μModules, os projetistas de sistemas podem se concentrar no projeto e na funcionalidade ao nível de sistema, proporcionando uma prototipagem e validação de sistema mais rápidas e permitindo um tempo de comercialização mais ágil para aplicações inovadoras, promovendo um cronograma mais agressivo dos processos, desde a definição do sistema até a entrega das peças.

Os componentes passivos que afetam o desempenho e o rendimento durante a fabricação são integrados ao dispositivo μModule, o que resulta em custos secundários mais baixos, como a coleta e a colocação na montagem, perdas de rendimento da PCI no sistema, suporte a devoluções em campo e calibração da cadeia de sinais. A integração de componentes passivos no substrato da PCI reduz as fontes de erro dependentes da temperatura e, ao mesmo tempo, minimiza o número de componentes discretos e interconexões em uma PCI, reduzindo as juntas de solda e aumentando a confiabilidade.

Os μModules ADAQ7980 (Figura 1) e ADAQ7988 da ADI são sistemas de aquisição de dados ADC de 16 bits que integram quatro blocos de processamento e condicionamento de sinais em um invólucro LGA de 5 mm x 4 mm. Esses sistemas suportam várias aplicações, incluindo equipamentos de teste automatizados, instrumentação alimentada por bateria, comunicações, controle de processos e instrumentos médicos. Os dispositivos incorporam os componentes passivos mais importantes, eliminando muitos desafios de projeto associados às cadeias de sinais tradicionais que usam ADCs de registrador de aproximação sucessiva (SAR). Além disso, vários dispositivos podem ser encadeados em um único barramento de 3 fios com uma interface periférica serial (SPI) compatível. Todos os componentes ativos do SiP são projetados pela ADI, incluindo:

• ADC SAR de 16 bits de alta precisão e baixa potência
• Controlador ADC de baixa potência, alta largura de banda e alta impedância de entrada
• Buffer de referência estável de baixa potência
• Um bloco de gerenciamento de energia eficiente

Figura 1: µModule ADAQ7980 da ADI (Fonte: Analog Devices, Inc.)

Aplicação de µModules da cadeia de sinal de precisão

O portfólio de µModules de aquisição de dados da cadeia de sinal de precisão da ADI suporta uma ampla gama de aplicações em diferentes setores, como os seguintes:

Comunicações. O ADAQ8092 é um µModule de aquisição de dados de 14 bits, 105 MSPS, alta velocidade e canal duplo para várias aplicações de demodulador e aquisição de dados, como transceptores, estações-base de celular e infraestrutura de rede. O dispositivo incorpora condicionamento de sinal, um controlador ADC, uma referência de tensão e um ADC em um único invólucro. A separação de circuitos digitais e de RF reduz efetivamente a interferência eletromagnética fornecida por contrapartes digitais de componentes eletrônicos de RF sensíveis a ruídos.

O dispositivo forma uma cadeia de sinal completa que integra todos os componentes ativos e iPassives em uma pegada seis vezes menor do que uma solução discreta comparável. Os capacitores de desacoplamento da fonte de alimentação incorporados melhoram o desempenho de rejeição da fonte de alimentação. O ADAQ8092 opera com alimentação analógica de 3,3 V a 5 V e digital de 1,8 V.

Automação industrial. O ADAQ7768-1 é um µModule de aquisição de dados de precisão de 24 bits que encapsula o condicionamento de sinal, a conversão e os blocos de processamento. O dispositivo suporta vários tipos de entrada, incluindo sensores IEPE, pontes resistivas, entradas de tensão e corrente, para aplicações de monitoramento baseado em condições (CbM) que utilizam sensores para estabelecer tendências, prever falhas, calcular a vida útil dos bens e garantir a segurança humana.

Os usuários podem configurar o ADAQ7768-1 para operar sob dois métodos de configuração de dispositivo, alterando os registradores por meio de sua interface periférica serial (SPI) ou por um método simples de interligação de pinos por hardware. Sete definições de ganho configuráveis por pinos oferecem faixa dinâmica adicional do sistema e melhor desempenho contra ruído da cadeia de sinal com sinais de entrada de menor amplitude.

Testes automotivos. O ADAQ23878 é adequado para Hardware-in-the-Loop (HiL), uma técnica de gêmeos digitais usada para testar sistemas complexos em tempo real, como unidades de controle eletrônico (ECUs), sistemas de direção elétrica, sistemas de suspensão, sistemas de gerenciamento de bateria ou qualquer outro subsistema de veículo. Ele também pode ser usado para equipamentos de teste automático e aplicações de teste de emissões acústicas não destrutivas, entre outros.

O ADAQ23878 combina vários blocos de processamento e condicionamento de sinal em um único dispositivo, incluindo um FDA de baixo ruído, um buffer de referência estável e um ADC SAR de alta velocidade, 18 bits e 15 MSPS. Sua pegada reduzida, 9 mm × 9 mm, passo de 0,8 mm, 100-CSP_BGA (“conjunto em padrão de 100 esferas num invólucro de escala de chip”) permite instrumentos de fator de forma mais compacto sem sacrificar o desempenho. Uma interface digital serial de sinalização diferencial de baixa tensão (LVDS) com modos de saída de uma ou duas vias permite que os usuários otimizem a taxa de dados da interface para cada aplicação.

Conclusão

A transformação digital e a automação estão impulsionando a demanda por soluções de aquisição de dados de cadeia de sinais otimizadas para aplicações exigentes em eletrificação, setor automotivo, saúde digital, instrumentação, indústria inteligente, energia e sustentabilidade. Os µModules de cadeia de sinal de precisão da ADI oferecem aos projetistas um equilíbrio ideal de integração e flexibilidade sem comprometer o desempenho da cadeia de sinal. A eliminação de muitos componentes discretos reduz o risco de projetar novamente o sistema, simplifica a lista de materiais do sistema e pode resultar em um menor tempo de comercialização e redução do custo de desenvolvimento.