Comment gagner de l'espace et accélérer le développement lors de la conception de systèmes d'acquisition de données de précision

Les concepteurs de systèmes d'automatisation industrielle et de soins de santé ont de plus en plus recours à des technologies avancées de détection, de reconnaissance et de capture d'images et de vidéos pour la numérisation et l'analyse. Cependant, la qualité de l'analyse dépend des données d'entrée, dont l'acquisition repose sur des blocs de conversion et de mise en forme des signaux précis et stables, à hautes performances et à gamme dynamique élevée. La réalisation de ces blocs à l'aide de méthodes de circuits discrets nécessite des ressources de conception, de l'espace carte et un temps considérables, ce qui augmente le coût global.

Dans le même temps, les concepteurs doivent s'assurer que leurs systèmes finaux restent compétitifs, ce qui implique une réduction maximale des coûts et des délais de commercialisation tout en garantissant des performances exceptionnelles.

Cet article décrit brièvement un système d'acquisition de données type et ses principaux éléments. Il présente ensuite un module d'acquisition de données (DAQ) d'Analog Devices Inc. qui intègre plusieurs de ces éléments critiques afin de fournir des performances stables, 18 bits et 2 méga-échantillons par seconde (Méch./s). Une carte d'évaluation est également présentée pour aider les concepteurs à se familiariser avec le module et à l'utiliser.

Éléments d'un système DAQ

La Figure 1 présente un système d'acquisition de données type. Le signal d'intérêt est détecté par un capteur qui émet un signal électrique en réponse à un phénomène physique. Les sorties du capteur peuvent être asymétriques ou différentielles et peuvent nécessiter une certaine mise en forme des signaux, comme un filtrage. Afin d'obtenir la plage dynamique maximale possible du convertisseur analogique-numérique (CAN), le signal doit être amplifié afin de correspondre à la plage de tensions d'entrée du CAN. Le gain et le décalage de l'amplificateur sont généralement contrôlés par des résistances de précision qui doivent être soigneusement adaptées pour des questions de dynamique et de dérive de température. La dépendance à la température exige généralement que les composants soient physiquement proches les uns des autres. Les conditions dynamiques englobent les niveaux de bruit et de distorsion qui doivent être réduits au minimum.

Figure 1 : Un système DAQ type acquiert des données à partir d'un capteur, les met en forme, optimise l'amplitude du signal appliqué au CAN et communique les données numériques au processeur du système. (Source de l'image : Analog Devices)

Le CAN à approximations successives (SAR) doit disposer d'une gamme dynamique suffisante, indiquée par le nombre de bits de résolution. Il nécessite également une référence de tension tamponnée, stable et propre.

Enfin, les données acquises doivent être accessibles via une interface de communication. La mise en œuvre d'un tel système d'acquisition de données à l'aide de composants discrets nécessite davantage d'espace physique et se traduit souvent par des performances bien inférieures à celles obtenues avec un dispositif intégré. À titre d'exemple, considérons que les performances requises pour qu'un amplificateur différentiel puisse piloter un CAN sont telles que les résistances d'entrée et de contre-réaction des deux branches de l'entrée de l'amplificateur doivent être étroitement adaptées, car tout déséquilibre diminue le taux de réjection de mode commun (CMRR). De même, les résistances d'entrée doivent être adaptées avec précision aux résistances de contre-réaction pour régler le gain de l'étage. Ces résistances doivent également permettre de suivre la température, ce qui exige qu'elles soient placées à proximité les unes des autres. De plus, la disposition générale du circuit est essentielle pour préserver l'intégrité du signal et minimiser la réponse parasite.

Le module DAQ intégré permet de gagner du temps et de la place

Pour répondre aux exigences de performances tout en réduisant la taille et le temps de conception, les concepteurs peuvent utiliser le système en boîtier (SIP) µModule ADAQ4003BBCZ d'Analog Devices comme alternative aux implémentations discrètes (Figure 2). Mesurant 7 x 7 millimètres (mm), l'ADAQ4003 se concentre sur l'intégration des sections les plus courantes d'une chaîne de signaux, notamment la mise en forme des signaux et la numérisation, afin de fournir une solution de chaîne de signaux plus complète avec des performances avancées. Ce faisant, il comble le fossé entre les composants discrets standard et les circuits hautement intégrés spécifiques aux clients pour répondre aux besoins d'acquisition de données.

Figure 2 : Vue en coupe d'un SIP µModule qui combine plusieurs blocs de traitement de signaux communs en un seul dispositif mesurant seulement 7 mm de côté. (Source de l'image : Analog Devices)

L'ADAQ4003 combine un CAN SAR 18 bits haute résolution fonctionnant jusqu'à 2 Méch./s, un amplificateur de circuit d'attaque CAN à faible bruit et entièrement différentiel (FDA), un tampon de référence de tension stable et tous les dispositifs passifs critiques nécessaires. Son petit boîtier BGA (Ball Grid Array) à 49 contacts répond aux exigences de compacité.

L'ADAQ4003 offre une réduction de la surface de la carte à circuit imprimé de plus de quatre fois (4x) par rapport à une disposition discrète, comme le montre la Figure 3.

Figure 3 : L'ADAQ4003 (à gauche) dont le couvercle a été retiré, comparé à un circuit identique implémenté avec des composants discrets, occupe moins d'un quart de la surface. (Source de l'image : Analog Devices)

Les avantages du SIP µModule par rapport à la mise en œuvre discrète sont nombreux. En raison de leur faible encombrement, les composants sont physiquement proches pour un meilleur suivi de la température, ainsi que pour une réduction des effets parasites dus à l'inductance des fils et à la capacité parasite.

Le schéma fonctionnel de l'ADAQ4033 montre les quatre composants clés que l'on retrouve dans tout système d'acquisition de données (Figure 4).

Figure 4 : Le schéma fonctionnel de l'ADAQ4003 montre tout ce qu'il peut contenir dans son boîtier BGA de 7 x 7 mm à 49 contacts. (Source de l'image : Analog Devices)

Malgré sa petite taille physique, l'ADAQ4003 intègre les composants passifs critiques en utilisant la technologie iPassives d'Analog Devices. Les éléments passifs intégrés sont fabriqués sur des substrats où plusieurs réseaux passifs sont produits en même temps. Le processus de fabrication produit ces pièces avec une grande précision. Par exemple, les composants de la matrice de résistances sont adaptés à 0,005 % près. Les composants adjacents, très proches les uns des autres, sont bien adaptés en termes de valeur initiale, certainement beaucoup mieux que les composants passifs discrets. Mises en œuvre sur un substrat commun, les valeurs du composant permettront également de mieux suivre l'évolution de la température, des contraintes mécaniques et du vieillissement en raison de la structure intégrée du composant.

Comme mentionné, le CAN SAR 18 bits peut être cadencé jusqu'à 2 Méch./s, tout en fonctionnant sans états de code manquants. La valeur et l'adaptation précises des composants passifs garantissent d'excellentes performances du CAN. Ce dernier présente un rapport signal/bruit et distorsion (SINAD) typique de 99 décibels (dB) à un réglage de gain de 0,454. Sa non-linéarité intégrale est généralement de 3 parties par million (ppm). La matrice de résistances d'entrée peut faire l'objet d'un pontage de broches, ce qui permet des réglages de gain de 0,454, 0,909, 1,0 ou 1,9 pour faire correspondre l'entrée à la plage pleine échelle du CAN, optimisant ainsi sa plage dynamique. L'adaptation des composants critiques se traduit par une dérive de l'erreur de gain de ±0,5 ppm/C° et une dérive de l'erreur de décalage de 0,7 ppm/C° sur la plage de gains de 0,454.

Le bloc CAN est précédé par le circuit d'attaque FDA avec un taux CMRR de 90 dB sur toutes les plages de gains dans la configuration différentielle. L'amplificateur possède une très large plage d'entrée de mode commun qui dépend de la configuration spécifique des circuits et des réglages de gain. Le FDA peut être utilisé comme amplificateur différentiel, mais peut également effectuer une conversion asymétrique-vers-différentiel pour des entrées asymétriques.

Il existe un filtre RC unipolaire, implémenté de manière différentielle en utilisant des composants internes entre le circuit d'attaque FDA et le CAN. Il est conçu pour limiter le bruit aux entrées du CAN et réduire l'effet des rebonds de tension provenant de l'entrée capacitive du convertisseur numérique-analogique (CNA) d'un CAN SAR.

L'ADAQ4003 contient également un tampon de référence configuré à un gain unité pour piloter de manière optimale l'impédance d'entrée dynamique du nœud de référence du CAN SAR. Tous les condensateurs de découplage nécessaires pour le nœud de référence de la tension et les alimentations sont également inclus. Ces condensateurs de découplage présentent une faible résistance série équivalente (ESR) et une faible inductance série équivalente (ESL). Le fait qu'ils soient internes à l'ADAQ4003 simplifie encore la nomenclature.

L'interface numérique de l'ADAQ4003 utilise une interface périphérique série (SPI), compatible avec DSP, MICROWIRE et QSPI. En utilisant une alimentation VIO distincte, l'interface de sortie est compatible avec une logique de 1,8 V, 2,5 V, 3 V ou 5 V.

L'ADAQ4003 fonctionne avec une faible dissipation de puissance totale, seulement 51,5 milliwatts (mW) à la fréquence d'horloge maximale de 2 Méch./s, et avec une dissipation de puissance plus faible à des fréquences d'horloge inférieures.

La disposition physique de l'ADAQ4003 aide les concepteurs à maintenir les performances et l'intégrité des signaux en séparant les signaux analogiques et numériques. Le brochage place les signaux analogiques à gauche et les signaux numériques à droite, ce qui permet aux concepteurs d'isoler les sections analogiques et numériques sensibles afin de limiter les risques de croisement.

Modèles de circuits

Analog Devices met à disposition des modèles de simulation, fournissant un modèle pour l'ADAQ4003 dans son simulateur gratuit LTspice. Il offre également un modèle IBIS pour d'autres simulateurs de circuits commerciaux.

LTspice comprend un circuit de référence de base utilisant l'ADAQ4003, illustré à la Figure 5. Le dispositif est utilisé dans une configuration d'entrée différentielle, et les résistances d'entrée font l'objet d'un pontage pour régler le gain FDA à 0,454 en mettant en série les résistances d'entrée de 1,0 et 1,1 kilohm (kΩ). Le réglage de la tension de référence du modèle est de 5 volts, et il utilise une horloge de conversion de 2 Méch./s.

Figure 5 : ADI met à disposition des modèles de simulation LTspice pour l'ADAQ4003 avec une configuration d'entrée différentielle. (Source de l'image : Art Pini)

Le modèle LTspice constitue un point de départ pour toute conception qui peut être vérifiée plus en détail à l'aide d'une carte d'évaluation.

Cartes d'évaluation

Si vous envisagez d'utiliser l'ADAQ4003, il est judicieux de le tester sous toutes les coutures en utilisant la carte d'évaluation EVAL-ADAQ4003FMCZ. Cet ensemble multicarte comprend la carte d'évaluation et une carte mezzanine pour réseau de portes programmables par l'utilisateur. Celles-ci fonctionnent avec la plateforme de démonstration du système EVAL-SDP-CH1Z d'Analog Devices. ADI fournit également le logiciel de démonstration Analysis/Control/Evaluation (ACE) avec des plugins spécifiques aux produits, ce qui permet à l'utilisateur d'effectuer des tests détaillés des produits, y compris l'analyse harmonique et les mesures de non-linéarité intégrale et différentielle.

Conclusion

Pour les concepteurs chargés de développer rapidement des systèmes DAQ de hautes performances tout en maintenant une taille et un coût minimum, le µModule ADAQ4003 constitue une option intéressante. Ce dispositif réduit le cycle de développement d'un système de mesure de précision en éliminant les difficultés de conception de la chaîne de signaux liées à la sélection, à l'optimisation et à la disposition des composants discrets. L'ADAQ4003 simplifie encore davantage le processus de conception en fournissant un seul composant avec une solution d'acquisition de données optimisée et peu encombrante comme base pour une conception personnalisée.