在设计精密数据采集系统时如何节省空间和开发时间

作者：Art Pini

工业自动化和医疗保健系统的设计者正越来越多地采用先进的感测、探测以及图像和视频捕捉技术进行数字化和分析。然而，分析的好坏取决于输入数据，而数据采集又依赖于高性能、高动态范围、精确和稳定的信号调节和转换块。如使用分立式电路方法设计这些模块，就需要大量的设计资源、设计时间和电路板空间，所有这些都将增加总成本。

同时，设计者需要确保其最终系统能够保持竞争力，这意味着在确保出色性能的同时，尽可能降低成本并缩短上市时间。

本文简要介绍了典型的数据采集系统及其核心元件。然后介绍 Analog Devices Inc 的数据采集 (DAQ) 模块，该模块集成了许多关键元件，可提供稳定的 18 位、2 兆次采样每秒 (MS/s) 的性能。最后介绍评估板，帮助设计者熟悉该数据采集模块及其使用。

DAQ 系统的元件

图 1 所示便是一个典型的数据采集系统。所关注的信号通过传感器采集，该传感器为响应一些物理现象会输出一个电信号。传感器可能提供单端或者差分输出，而且可能需要进行如滤波等一些信号调节。为了从模数转换器 (ADC) 获得尽可能大可能的动态范围，必须将信号放大以匹配 ADC 的输入电压范围。放大器的增益和失调通常通过精密电阻控制，且必须根据动态和温度漂移情况进行仔细匹配。温度依赖性通常要求两个元器件之间的实际距离很小。动态条件包括必须最大限度地减小噪声和失真水平。

图 1：典型 DAQ 系统从传感器获取数据并进行调节，优化施加到 ADC 的信号振幅，然后将数字数据发送至系统处理器。（图片来源：Analog Devices）

逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 必须有足够大的动态范围，用分辨率的位数表示。该器件还需要一个稳定、干净的缓冲式电压基准。

最后，采集的数据必须能够通过通信接口访问。使用分立元件实现这样的数据采集系统需要更多的空间，而且往往会导致在性能方面远不如集成器件。我们以通过差分放大器驱动 ADC 为例来考虑其性能要求，即必须使放大器两个输入端的的输入和反馈电阻严格匹配，因为任何不平衡都会降低共模抑制比 (CMRR) 。同样，输入电阻必须与反馈电阻精确匹配，以设置级增益。这些电阻也必须进行超温跟踪，因此要求它们之间的距离很近。此外，整体电路布局对于保持信号完整性和寄生响应最小化至关重要。

集成 DAQ 模块能够节省时间和空间

为了既能满足性能要求，又能减小尺寸、缩短设计时间，设计者可以使用 Analog Devices 的 ADAQ4003BBCZ μModule 系统级封装 (SIP) 替代分立式实施方案 (图 2) 。ADAQ4003 的尺寸为 7 x 7 mm。该器件侧重于整合包括信号调节和数字化在内的信号链中最常见部分，以实现性能更先进的、更完整的信号链解决方案。这样，就可填补标准分立元件和高度集成的客户特定型 IC 之间的空白，从而解决数据采集需求问题。

图 2：μModule SIP 的剖面图。该器件以其侧面只有 7 mm 大小的外形将多个常见信号处理模块整合在一起。（图片来源：Analog Devices）

ADAQ4003 将一个运行速度高达 2 MS/s 的高分辨率 18 位 SAR ADC、一个低噪声全差分 ADC 驱动放大器 (FDA) 、一个稳定的电压基准缓冲器以及所有必要的关键无源器件整合在一起。其小型 49 触点的球栅阵列 (BGA) 封装符合紧凑的外形尺寸要求。

如图 3 所示，ADAQ4003 的电路板面积不到分立式布局方案的 1/4。

图 3：除去保护盖的 ADAQ4003（左）与能实现相同电路的分立元器件相比，其表面积不到后者的四分之一。（图片来源：Analog Devices）

相比分立式实施方案，μModule 拥有诸多优势。占位面积较小，各元件之间的距离较近，可实现更好的温度跟踪并减少因引线电感和杂散电容而产生的寄生效应。

ADAQ4033 的功能框图显示了每个数据采集系统中的四个关键部件（图 4） 。

图 4：ADAQ4003 的功能框图显示了在其 7 x 7 mm、49 触头 BGA 封装中所包含的元件。（图片来源：Analog Devices）

尽管其尺寸很小，但 ADAQ4003 通过使用 Analog Devices 的 iPassives 技术集成了关键的无源元件。集成无源器件是在同时生产多个无源网络的基片上制造的。这些零件都采用高精度工艺制造。例如，电阻阵列元件的匹配度在 0.005% 以内。相邻的元件之间的间隔非常小，在初始值方面具有远超分立式无源元件的良好匹配度。由于在共同的基底上实现以及组件的集成结构，因此也可在在温度、机械应力和老化寿命方面更好地跟踪组件的数值。

如前所述，SAR 18 位 ADC 的时钟速度可以达到 2 MS/s，但在运行时不会出现丢码状态。无源元器件的精确数值和匹配度保证了 ADC 的卓越性能。在 0.454 的增益设置下，典型信噪比 (SINAD) 为 99 dB。其积分非线性度通常为百万分之三 (ppm) 。输入电阻阵列可以通过引脚绑定，允许进行 0.454、0.909、1.0 或 1.9 增益设置，以使输入与 ADC 的满刻度范围相匹配，从而最大限度地提高其动态范围。关键部件的匹配使得在 0.454 增益范围内，增益误差漂移为 ±0.5 ppm/C°、失调误差漂移为 0.7 ppm/C°。

在 ADC 模块之前是 FDA 驱动器，且在差分配置的所有增益范围内 CMRR 为 90dB。该放大器有一个非常宽的共模输入范围，但取决于具体的电路配置和增益设置。FDA 可用作差分放大器，也可用于对单端输入进行单端到差分的转换器件。

有一个单极 RC 滤波器，通过在 FDA 驱动器和 ADC 之间的内部元件以差分方式实现。这种设计是为了限制 ADC 输入端的噪声，减少来自 SAR ADC 的容性数模转换器 (DAC) 输入端的电压回跳影响。

ADAQ4003 还包含一个在单位增益下配置的基准缓冲器，从而能以最佳方式驱动 SAR ADC 参考节点的动态输入阻抗。此外，还包括了所有用于电压参考节点和电源的、必需的去耦电容器。这种去耦电容器的特点是具有较小的等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL)。事实上对于 ADAQ4003 来说，这些电容器是内部器件，因此能进一步简化物料清单 (BOM) 。

ADAQ4003 的数字接口使用串行外围接口 (SPI) 。这种接口兼容 DSP、MICROWIRE 和 QSPI。由于使用了使用单独的 VIO 电源，输出接口与 1.8 V、2.5 V、3 V 或 5 V 逻辑兼容。

ADAQ4003 的总运行功耗低，在 2 MS/s 最大时钟速率下仅为 51.5 mW，并且在较低时钟速率下的功耗更低。

ADAQ4003 采用模拟和数字信号分离式布局，这有助于计人员保持信号完整性和性能。在这种引脚布局下，模拟信号位于左侧，数字信号位于右侧，让设计者能够隔离敏感的模拟和数字部分，尽量减少一切交叉干扰。

电路模型

Analog Devices 提供了仿真模型，在其 LTspice 免费仿真器中为 ADAQ4003 提供了一个模型。该公司还提供 IBIS 模型用于其他商业电路仿真器。

LTspice 包括使用 ADAQ4003 的基本参考电路，如图 5 所示。该器件用于差分输入配置，通过将 1.0 kΩ 和 1.1 kΩ 的输入电阻串联将 FDA 的增益设置为 0.454。该模型的参考电压设置为 5 V，使用 2 MS/s 转换时钟。

图 5：ADI 为使用差分输入配置的 ADAQ4003 提供 LTspice 仿真模型。（图片来源：Art Pini）

LTspice 模型是任何设计的起点，可以使用评估板进行进一步验证。

评估板

在考虑 ADAQ4003 时，明智的做法是使用 EVAL-ADAQ4003FMCZ 评估板对其进行测试。这个多板套件包括评估板和一个现场可编程阵列夹层卡。这些产品与 Analog Devices 的 EVAL-SDP-CH1Z 系统演示平台搭配使用。ADI 还提供带有产品特定型插件的分析/控制/评估 (ACE) 演示软件，以便用户进行详细的产品测试，包括谐波分析以及积分和差分非线性测量。

总结

对于负责快速开发高性能 DAQ 系统，并需要将尺寸和成本控制在最低水平的设计人员，ADAQ4003 μModule 是一个不错的选择。通过消除分立元件选型、优化和布局带来的信号链设计挑战，该器件缩短了精密测量系统的开发周期。ADAQ4003 通过为单个元件提供经过优化的、节省空间的数据采集解决方案作为定制设计的基础，进一步简化设计过程。