Uporaba digitalnih krmilnikov namesto analognih krmilnikov v elektronskih sistemih preskušanja skrajša čas do lansiranja na trg na mobilnem, avtomobilskem področju in področju interneta stvari.
Digi-Key Electronics
Avtorica: Bonnie Baker
Struktura digitalnega krmilnika podpira precizne komponente v vezju, kot so 24-bitni ADC in 20-bitni DAC. Ta članek podrobno opisuje prednosti digitalnega krmilnika v primerjavi z analognim krmilnikom in podaja primer digitalnega krmilnika s preciznimi analogno-digitalnimi pretvorniki (ADC) in digitalno-analognimi pretvorniki (DAC).
Pospešen razvoj električnih in elektronskih sistemov za mobilno, avtomobilsko področje in internet stvari (IoT), skupaj z vedno krajšimi časovnimi okni do lansiranja na trg, je privedel do potrebe po hitrejših, cenejših preskusih integriranih vezij, ki jih podpirajo.
Za doseganje teh ciljev so potrebne avtomatizirane platforme za preskušanje integriranih vezij z večjo prilagodljivostjo in modularnostjo ter manjše število komponent, da je mogoče prihraniti pri stroških in prostoru.
Da lahko izpolnjujejo te zahteve, oblikovalci prestopajo s klasičnih analognih krmilnikov na digitalne krmilne zanke, ki so programirljive, da dosežejo stabilnost zanke. Čeprav digitalni krmilnik odstrani upore, kondenzatorje in stikala, ločljivost in natančnost analogno-digitalnega pretvornika (ADC) in digitalno-analognega pretvornika (DAC) bistveno vpliva na splošno natančnost arhitekture digitalne krmilne zanke.
Ta članek na kratko predstavi prednosti digitalne krmilne zanke. Nato predstavi izzive pri uvedbi, kot so časovna usklajenost in vire napak šuma pretvornika in njihovo obvladovanje s posvečanjem pozornosti stopnje prepustnosti ADC-ja in razmerja med signalom in šumom (SNR) ter času umirjanja DAC-a in specifikacijam spektralne gostote šuma.
Nato predstavi Analog Devices AD4630-24, 24-bitni ADC z registrom zaporednih približkov (angl. successive approximation register SAR) in DAC napetostnega izhoda družbe Analog Devices AD5791. Ko ju združimo, lahko ti napravi tvorita osnovo izredno natančnega in prilagodljivega krmilnika za meritve preciznega instrumentarija.
Digitalne krmilne zanke
V inženirskih sistemih krmilniki zagotavljajo zadostno prehodno obnašanje in obnašanje v stabilnem stanju. Uvedba analognega krmilnika ima analogne vhode in izhode, iz katerih signal izstopi vzdolž neprekinjenega časovnega intervala, z vrednostmi v neprekinjenem amplitudnem območju. Senzor meri nadzorovano spremenljivko in primerja njeno vedenje z referenčnim signalom. Dejanje nadzora preskusa uporablja signal napake, ki je razlika med referenčnimi in dejanskimi vrednostmi (slika 1).
Za krmilnike z neprekinjenim analognim izhodom sistema bi pričakovali, da so boljši od digitalnih krmilnikov z vzorčnimi vrednostmi izhoda (slika 2).
Logično bi bilo pričakovati, da krmilne spremenljivke ali izhodi v analognem krmilniku, ki se nenehno spreminjajo, dosegajo boljše krmiljenje kot meritve, ki se spreminjajo občasno v digitalnih strukturah.
Takšno sklepanje je napačno. Če predvidevamo, da so vsi drugi dejavniki digitalnega in analognega krmiljenja identični, je analogno krmiljenje boljše od digitalnega krmiljenja. Zakaj bi torej preklopili s klasičnega analognega krmilnika na digitalnega? Pet razlogov je za to: natančnost, napake pri uvedbi, prilagodljivost, hitrost in stroški.
Natančnost: Analogni signali so digitalno predstavljeni z ničlami in enicami, z do 32 biti, ki se običajno uporabljajo za predstavitev ene analogne vrednosti (slika 2). Te pretvorbe ustvarijo majhno napako digitalne kvantizacije, ki jo je treba odpraviti. Analogni signali pa imajo nihanja v napajanju in zunanji šum, ki poslabša analogni signal. Obvladovanje teh analognih temperaturnih in časovno odvisnih nihanj je težavno in drago, medtem ko so učinki staranja in temperature na digitalne krmilnike zanemarljivi.
Napake pri uvedbi: Pri digitalnih krmilnikih so napake pri uvedbi zanemarljive. To je zato, ker digitalno obdelovanje krmilnih signalov uporablja shranjene številske vrednosti za funkcije seštevanja in množenja, analogne komponente pa imajo napake zaradi temperaturnega nihanja, natančnost upornikov, kondenzatorjev in induktorjev pa je na začetku uporabe nezanesljiva. Prav tako je nastavitve časovne konstante digitalnega krmilnika mogoče enostavno spreminjati v programski opremi, medtem ko ima analogni krmilnik fiksno število razpoložljivih časovnih konstant. Digitalni krmilnik je mogoče spreminjati sproti, kar omogoča, da se instrument prilagodi različnim pogojem obremenitve in izboljša splošno učinkovitost preskusa.
Prilagodljivost: Prilagodljivost analognih krmilnikov je težavna. Ko je načrt strojne opreme zaključen, je spreminjanje plošče tiskanega vezja časovno potratno in drago. Uvajanje sprememb digitalnega krmilnika je enostavno – vse do popolne zamenjave kode. Poleg tega ni omejitev oblike ali strukture digitalnega krmilnika in z lahkoto je mogoče realizirati zapletene strukture krmilnika, ki vključujejo dodatne aritmetične možnosti.
Hitrost: Računska zmogljivost še naprej eksponentno raste. Ta rast omogoča vzorčenje in upravljanje signalov pri izredno visoki hitrosti, interval med različnimi vzorci pa je vedno manjši. Zmerna zmogljivost digitalnega krmilnika je enakovredna neprekinjenemu analognemu sistemu za spremljanje.
Stroški: Zaradi napredkov v proizvodnji polprevodnikov so stroški integriranih vezij vedno nižji, digitalni krmilniki pa vedno bolj stroškovno dostopni – tudi v primeru uporabe v manjšem obsegu in za nižje stroške.
Izzivi analogne uvedbe za digitalne krmilnike
Pretvornika ADC in DAC sta na meji analogne in digitalne domene, ki imata obe različne električne značilnosti. Odkriti je treba specifikacije obeh naprav, ki se dopolnjujejo, tako da lahko istočasno obstajata v istem sistemu. Z vidika prepustnosti sistema je bistvenega pomen, da se določi hitrost in značilnost šuma splošnega prenosa.
Ocene časovnega usklajevanja ADC in DAC pretvornikov
Običajno obstaja jasna definicija stopnje prepustnosti ADC-ja v milijon vzorcih na sekundo (MSPS) ali tisoč vzorcih na sekundo (kSPS). Čas prepustnosti v Hertzih je obraten od stopnje prepustnosti v sekundah. Čas prepustnosti je čas, potreben, da pretvornik vzorči, pridobi, digitalizira in pripravi nadaljnjo pretvorbo. Ta čas je tudi minimalni čas pretvorbe na področju uporabe neprekinjene pretvorbe. Enote specifikacije določajo hitrost pretvorbe celotne izhodne besede. Če ima na primer ADC serijski izhod in pretvornik 24 bitov, se celotna 24-bitna pretvorba analognega signala prenese pred začetkom še ene pretvorbe (slika 3).
ADC pretvornik s specifikacijo 2 MSPS izstavi celotno besedo vsakih 500 nanosekund (ns). Žal ta en vzorec pretvorbe ne predstavlja popolne slike vhodnega analognega signala. V skladu s Nyquistovim teoremom mora ADC proizvesti vsaj dva vzorca, da omogoči ustvarjanje vhodnega analognega signala. Za izpolnjevanje Nyquistovega teorema je za ta proces zdaj potrebnih vsaj 500 ns ali 1 mikrosekunda (µs). To je minimalno število vzorcev za ustvarjanje skeleta analognega signala. Štirje ali osem vzorcev je priporočenih za digitalno ustvarjanje analognega signala.
Glede DAC specifikacij je čas umirjanja izhodne napetosti DAC-a količina časa, ki je potreben, da se izhodna napetost umiri na določeno raven za določeno spremembo napetosti (slika 4).
Na sliki 4 z DAC pretvornikom je čas umirjanja v najslabšem primeru manj kot 1 µs. Matematično nasprotje te vrednosti je enako 1 MHz, kar je enako tudi 1 MSPS. Za izpolnjevanje Nyquist kriterijev mora DAC proizvesti dva izhodna vzorca, za katera je potrebna dvakrat 1 µs oz. 2 µs in kot v ADC primeru je več vzorcev bolje.
Zdaj pa še zadnja zgodba glede Nyquistovega teorema. V skladu s teoremom reprodukcija signala zahteva vsaj dva vzorca. V tem scenariju teorem identificira samo frekvenco signala. Tukaj je za teorem treba uporabiti zdravo pamet. Zbiranje večjih velikosti vzorcev traja dlje časa, vendar proizvedejo bolj zanesljivo rekonstrukcijo signala.
Ocene frekvenčnega šuma ADC in DAC pretvornikov
Za definicijo šuma je treba razumeti dejansko ločljivost pretvornika in efektivno vrednost šuma (root-mean-square oz. RMS). Navedba ločljivosti pretvornika, na primer 24 bitni, 20 bitni ali 1 ppm, opisuje število ADC ali DAC izhodov ali vhodov. 24-bitni ADC na primer ustvari 24 izhodnih kod na pretvorbo, 20-bitni DAC pa zbere 20 digitalnih vhodnih vrednosti za eno pretvorbo. Vendar pri teh vrednostih ni definicije frekvenčne natančnosti pretvornika.
Definicija natančnosti pretvornika je odvisna od specifikacij šuma, kot so SNR ali »RMS« šuma.
Specifikacija ADC za šum po vsem izhodnem frekvenčnem območju je tipična vrednost SNR v decibelih (dB). SNR se izračuna z enačbo 1:
Enačba 1
Podatkovni list ADC ali DAC določa izhodni obseg naprave. Šum je kumulativna vrednost »root-sum square« (RSS) po celotnem frekvenčnem pasu pretvornika.
Ločljivost RMS se izračuna z enačbo 2:
Enačba 2
Za ADC z vrednostjo SNR 105,7 dB je RMS ločljivost 17,6 bitov, kar pomeni, da lahko pretvornik zanesljivo obravnava natančnost na tej ravni. Specifikacija šuma DAC je običajno vrednost spektralne gostote šuma, ki omogoča hitro pretvorbo dejanske ločljivosti RMS DAC pretvornika. Izhodni šum DAC pretvornika se izračuna z enačbo 3:
Enačba 3
Če ima na primer 20-bitni DAC spektralno gostoto šuma 7,5 nanovoltov/√Hz (nV/√Hz) in pasovno širino 500 kilohertzov (kHz), je šum DAC pretvornika enak 5,3 µV (RMS). Na osnovi te vrednosti je ločljivost RMS DAC pretvornika z izhodnim obsegom 5 voltov enaka 19,8 bitov.
bPrimer sistema za preskušanje digitalne krmilne naprave za preskusna vezja za mobilno področje, avtomobilsko področje in internet stvari ima devet naprav ter en diskreten upor (slika 5). Naprave v tem vezju so mikroprocesor, ADC, DAC, gonilni ojačevalnik, instrumentacijski ojačevalnik s prilagodljivim ojačanjem in stikalom ADG1236 SPDT družbe Analog Devices. Mikroprocesor upravlja digitalne vmesnike in podatke med ADC in DAC, kot je Analog Devices AD4630-24 oz. AD5791. AD4630-24 je 24 bit-ni ±0,9 ppm integralni nelinearni (INL) ADC z 2 MSPS in z vrednostjo SNR 105,7 dB, ki proizvede 17,6 bitov (RMS). Ker ima hitrost pretvorbe 2 MSPS ta ADC zahteva vsaj štiri izhodne vzorce, da ustvari analogni signal. INL predstavlja natančnost DC pretvornika. AD5791 je 20 bitni ±1 LSB DAC z časom umirjanja INL 1 µs in 7,5 nV/√Hz spektralno gostoto, ki ustvari 19,8 bits (RMS). Ta DAC pri hitrosti 1 MSPS zahteva 4 µs za natančno ustvarjanje analognih signalov.
Pretvorniki v tem sistemu zahtevajo tudi vmesnike operacijskega ojačevalnika (op. amp.) za krmiljenje izhodnega krmilnika in analognega ojačenja. Na sliki 5 je Analog Devices AD8675 10 MHz, 2,8 nV/√Hz izhodni operacijski ojačevalnik (rail-to-rail). Šum tega ojačevalnika zniža bite DAC sistema na 19,1 (RMS). Vendar 10 MHz pasovna širina ojačevalnika presega pasovno širino DAC pretvornika. Analog Devices LTC6373 instrumentacijski ojačevalnik s polno diferencialnim vhodom, programirljivim ojačenjem zagotavlja ojačenje in stopnjo izolacije. Če DAC stopnja uvede ojačenje 4 voltov na volt (V/V), je ena od možnosti ojačenja naprave LTC6373 0,25 V/V, kar vrne signal nazaj na prvotno vrednost. Prilagodljivost ravni digitalnega ojačenja LTC6373 zagotavlja sprotne značilnosti digitalnega krmilnika.
Zaključek
Pritiski za čim krajši čas do lansiranja na trg in stroški podpiranja hitro razvijajočih se zahtev glede razvoja preskusnih sistemom z mobilnega, avtomobilskega področja in področja interneta stvari je povzročil premik s klasičnih analognih krmilnikov na digitalne krmilne zanke. Te zanke zagotavljajo večjo natančnost in prilagodljivost ter nižje stroške, vendar je treba biti pazljiv pri izbiranju ADC ali DAC. Kot je prikazano z združitvijo 24-bitnega ADC SAR AD4630-24 družbe Analog Devices z 20-bitnim DAC-om napetostnega izhoda AD5791 družbe Analog Devices, je mogoče ustvariti izredno natančen in prilagodljiv digitalni krmilnik za meritve preciznega instrumentarija.
Povezave do izdelkov Digi-Key:
1: Analog Devices, AD4630-24BBCZ-RL, 24-bitni, 2 MSPS/500 kSPS, dvokanalni SAR ADC:
https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/AD4630-24BBCZ-RL/15848859
2: Analog Devices, AD5791BRUZ, 1 ppm, 20-bit, ±1 LSB INL, digitalno-analognih pretvornik (DAC) napetostnega izhoda:
https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/AD5791BRUZ/2606881
3: Analog Devices, AD8675ARMZ, 36-V precizni, 2,8 nV/√Hz operacijski ojačevalnik izhoda od voda do voda:
https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/AD8675ARMZ/1981926
4: Analog Devices, LTC6373IDFM#PBF, 36-voltni ojačevalnik instrumentarija s polnim diferencialom in programirljivim ojačanjem:
https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/LTC6373IDFM-PBF/13212409
5: Analog Devices, ADG1236YRUZ, ±15-voltno/12-voltno dvojno stikalo SPDT z nizka kapacitivnostjo in nizko injekcijo naboja:
https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/ADG1236YRUZ/973791
Ključne besede o temi: Analog Devices, AD4630-24, AD5791, ADC, DAC, preciznost, ozka pasovna širina, digitalna krmilna zanka, krmilniki, Bonnie Baker
Vir slike:
Slika 1: https://qr.ae/pvEda0
Slika 2: Bonnie Baker
Slika 3: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad4630-24_ad4632-24.pdf ; Slika 59, Stran 37
Slika 4: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD5791.pdf ; Slika 41, Stran 15
Slika 5: ZAHTEVE ZA NATANČNOST IN STABILNOST ZA VERIGE SIGNALOV DIGITALNE KRMILNE ZANKE, RefDoc_Precision Horizon Signal Chain Spotlight, april 2022 – v mapi Sharefile z datotekami DK701. ; Slika 1
Povezave do prodajalcev Digi-Key:
https://www.digikey.com/en/supplier-centers/a/analog-devices
Prispevek severnoameriških urednikov družbe Digi-Key.
