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來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 對于汽車(chē)試驗臺和硬件在環(huán) (HIL) 子系統等測試和計量解決方案的設計人員來(lái)說(shuō)，他們面臨著(zhù)日益嚴峻的挑戰，必須在高性能、低延遲和寬帶寬之間找到最佳平衡。同時(shí)，他們需要靈活性和可重新配置性來(lái)支持快速變化的系統要求，并為廣泛的用例提供服務(wù)。 若要按照傳統方法來(lái)滿(mǎn)足這些要求，同時(shí)在采樣率增加時(shí)保持精確的交流和直流性能，就需要耗費大量的設計/調試時(shí)間和精力。而當改變元器件以適應試驗臺和儀器目標的變化時(shí)，就需要重新設計，更增加了這種精力耗費。 現在有了更好的替代方案，即一個(gè)基于可編程、可重新配置和可重復使用的設備的平臺。這些“錨”部件建立了一個(gè)性能基準，可以在單一類(lèi)型的應用甚至是多個(gè)不同的應用中使用和重復使用。 本文以 Analog Devices 的 AD3552R 數模轉換器 (DAC) 為例，說(shuō)明可編程元器件如何實(shí)現設計人員的目標，創(chuàng )建一個(gè)可擴展、易優(yōu)化和可重新配置的信號鏈平臺。文中探討了評估板和 LTspice 支持，以幫助設計人員入門(mén)。此外，還介紹了高度集成的 ADAQ23878 模數轉換器 (ADC)。在基于平臺的方法中，該轉換器可與 AD3552R 一起構成兩個(gè)關(guān)鍵且互補的錨部件。 集成和可編程性簡(jiǎn)化了設計 隨著(zhù)測試系統要求的變化，一些通常成功的傳統技術(shù)一直被用來(lái)最大限度地提高精度和減少誤差，盡管它們會(huì )增加設計和元器件成本，它們包括： · 選擇“更好的”元器件，如公差更精密或溫度系數更低的電阻器，以盡量減少初始性能的不足，以及隨時(shí)間和溫度變化帶來(lái)的問(wèn)題。 · 使用在很大程度上支持自消除不可避免誤差的拓撲結構，如匹配的電阻器和差分電路或經(jīng)典惠斯通電橋。 · 通過(guò)使用“黃金”元器件提供初始和持續校準，例如可以與所有其他關(guān)鍵電壓進(jìn)行比較的精密基準電壓源。 當應用需要頻繁更新 ADC 和 DAC 時(shí)，成功使用這些技術(shù)對測試系統設計人員來(lái)說(shuō)變得更具挑戰性。 要避開(kāi)眾多此類(lèi)挑戰，基于平臺的可編程方法是個(gè)更好的選擇。它可以最大限度地減少甚至消除對初始項目“從頭開(kāi)始”設計的需求，以及隨著(zhù)要求變化而重新設計的需求。該方法還確保采用一致的方式對設計進(jìn)行評估和仿真。這種可編程方法的一個(gè)關(guān)鍵元件是 DAC（圖 1）。 
圖 1：DAC 是測試和儀器應用中的一個(gè)關(guān)鍵功能；隨著(zhù)測試系統要求變得更具挑戰性，其能力受到密切關(guān)注。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 在測試和控制應用中，DAC 的性能和能力面臨的“壓力”越來(lái)越大，這些應用在較大范圍內既要求精度又要求高速度。此外，它們還要求具備靈活性，需要易于重新配置而省去全面或復雜的重新設計和重新認證周期。 ADI 的 AD3552R 是一款 16 位、每秒 3300 萬(wàn)次更新 (MUPS)、多跨度、雙輸出 SPI DAC（圖 2），因此能夠滿(mǎn)足性能目標。除了基本的性能屬性外，AD3552R 還有另一個(gè)優(yōu)勢：很容易重新配置，以滿(mǎn)足新的或不斷變化的項目目標。這種可重新配置性可以高度保障這些目標的實(shí)現，不會(huì )帶來(lái)新的和不需要的“意外”。
圖 2：AD3552R 是一款 16 位、33 MUPS、多跨度、雙輸出的 SPI DAC，可以輕松地針對不同的性能屬性進(jìn)行重新配置。（圖片來(lái)源：Analog Devices） AD3552R 采用 5 mm × 5 mm LFCSP 封裝，以固定的 2.5 V 參考電壓工作，但可通過(guò)軟件針對多個(gè)電壓跨度輸出范圍進(jìn)行配置。它還可以實(shí)現性能、精度、速度和靈活性的最佳平衡。 該器件集成了三個(gè)漂移補償反饋電阻器，用于支持調節輸出電壓的外部跨阻放大器 (TIA)。偏移和增益調節寄存器允許生成多個(gè)輸出跨度范圍，例如 0 至 2.5 V、0 至 5 V、0 至 10 V、-5 至 +5 V 和 -10 至 +10 V，以及具有全 16 位分辨率的自定義中間范圍。 此外，為了解決眾所周知的“速度與精度”難題，AD3552R DAC 可以在快速模式下工作，以獲得最大的速度和最快的建立時(shí)間，或者在精密模式下工作，以獲得最高的精度和最大的準確性。在快速模式下，DAC 數據以 16 位字的形式加載，使得單通道更新率為 33 MUPS。相比之下，在精密模式下，數據以 24 位寫(xiě)入，使得單通道更新率為 22 MUPS。 對于那些需要更低噪聲強度和更快建立時(shí)間并且可以接受更高功耗的應用，AD3552R 支持將兩個(gè) DAC 通道合并，從而形成單一輸出（圖 3）。兩個(gè) DAC 必須使用相同的代碼同時(shí)進(jìn)行更新，以獲得使用單個(gè) DAC 產(chǎn)生的相同電壓輸出；AD3552R 提供了幾種有效的方法來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。
圖 3：AD3552R 的兩個(gè)輸出可以合并在一起，以降低噪聲強度，同時(shí)加快建立時(shí)間。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 該器件的 SPI 接口也很靈活，因為它可以配置為單 SPI（經(jīng)典 SPI）、雙 SPI、同步雙 SPI 和四 SPI 模式，按單倍數據速率 (SDR) 或雙倍數據速率 (DDR) 工作，邏輯電平為 1.2 至 1.8 V。此外，由于數據完整性也是一個(gè)持續且日益受到關(guān)注的問(wèn)題，因此可以使該器件內置循環(huán)冗余校驗 (CRC)。該器件還集成了多個(gè)錯誤校驗器來(lái)檢測 VREF 故障或存儲器映射損壞。 仿真模型加快配置速度，增強信心 盡管 AD3552R 是一個(gè)寬帶精密器件，但其眾多用戶(hù)可編程參數之間總會(huì )存在權衡問(wèn)題。為了加速了解這些設計方案的影響并幫助設計人員入門(mén)，該器件采用評估板以及 LTspice 支持，用于評估噪聲、瞬態(tài)分析、交流仿真和其他參數。這簡(jiǎn)化了延時(shí)/性能優(yōu)化，因此設計人員不必在沒(méi)有可靠數據的情況下設置參數值或做出妥協(xié)。 在信號鏈中使用 LTspice 的能力讓所有元件配合在一起，因此用戶(hù)可以清楚地了解整個(gè)信號鏈的性能。這一點(diǎn)特別重要，因為 AD3552R 提供： · 10 個(gè)電流范圍；由數字配置的增益調節值組合而成。 · 3 個(gè)跨阻增益值；因連接其中一個(gè)反饋電阻器產(chǎn)生。 · 總計 511 個(gè)數字配置的直流偏移值。 總共有 15,330 種組合，顯然超出了任何“動(dòng)手”試驗板方法甚至選擇性人工評估的范圍。 AD3552R 的 LTspice 模型更新了注重模擬輸出的傳統 DAC 模型，提供了更加注重數字化的仿真。該模型中有些寄存器（特別是那些與數字增益調節和直流偏移有關(guān)的寄存器）的功能可以進(jìn)行仿真，而且該模型還能夠高保真地再現動(dòng)態(tài)和噪聲性能。LTspice 軟件所仿真的 AD3552R 性能特點(diǎn)包括： · 輸出范圍仿真：直流掃描仿真可用于確認給定參數配置的輸出電壓范圍。其中還考慮了運算放大器的上裕量（范圍上限）和下裕量（范圍下限）所帶來(lái)的限制，進(jìn)而可以輕松預測輸出信號的任何飽和度。 · 階躍響應調校：用階梯波形進(jìn)行瞬態(tài)仿真有助于調整 TIA 反饋電容和輸出濾波器的值，以達到所需的上升時(shí)間、建立時(shí)間和過(guò)沖，并且還可以與參數掃描相結合來(lái)找到部件的最佳值。仿真還考慮了放大器和 DAC 的驅動(dòng)能力，以估計信號的壓擺率和上升時(shí)間。（請注意，該值是個(gè)起點(diǎn)，因為仿真電路不包括評估板和器件封裝的寄生效應）。 · 交流帶寬仿真：交流掃描仿真可用于在輸出信號為諧波的應用中調整 TIA 反饋電容和輸出濾波器的值。 · 噪聲強度仿真：該特點(diǎn)可以預測 DAC 和 TIA 輸出端的噪聲強度，包括 1/f 區域和熱噪聲區域。AD3552R 的 LTspice 模型可以捕獲噪聲強度隨代碼的變化，并且考慮 TIA 的增益，而該增益會(huì )放大當前 DAC 輸出端的噪聲。 有關(guān) LTspice 的更多信息，請參閱“在靈敏儀器設計過(guò)程中如何使用 LTspice 確定光電感應噪聲性能�！� 用真實(shí)的硬件進(jìn)行實(shí)踐和測試 仿真非常有用且很有必要，但正如任何有經(jīng)驗的工程師所知，它們不能完全取代實(shí)際評估，尤其是當器件外部的寄生效應等因素可能會(huì )影響性能時(shí)。對于 AD3552R，EVAL-AD3552RFMCxZ 可用于滿(mǎn)足這一需求，它有兩種型號：EVAL-AD3552RFMC1Z 適用于更高的速度，而 EVAL-AD3552RFMC2Z 適用于更高的精度（圖 4）。
圖 4：EVAL-AD3552RFMCxZ（左：頂層；右：底層）有兩個(gè)類(lèi)似的版本，其中一個(gè)針對速度進(jìn)行了優(yōu)化，另一個(gè)針對精度進(jìn)行了優(yōu)化。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 該評估板的軟件使用了 ADI 的“分析、控制、評估”(ACE) 軟件包。這個(gè)軟件包是一款桌面應用程序，可用于評估和控制 ADI 產(chǎn)品組合中的多個(gè)評估系統。該應用程序由一個(gè)通用框架和各個(gè)元器件特定的插件組成。 對于 AD3552R，ACE 有幾個(gè)視圖來(lái)控制 DAC 的不同方面。當首次打開(kāi)某個(gè)視圖時(shí)，程序會(huì )在主窗口頂部創(chuàng )建一個(gè)新選項卡。AD3552R 插件可生成一個(gè)視圖層次結構：評估板視圖、芯片視圖、存儲器映射視圖和分析視圖，其中分析視圖結合了波形發(fā)生器視圖和矢量發(fā)生器視圖（圖 5）。
圖 5：AD3552R 的 ACE 插件可生成一個(gè)從高級系統視圖到基本分析視圖的視圖層次結構。（圖片來(lái)源：Analog Devices） · 評估板視圖顯示一個(gè)評估板簡(jiǎn)化示意圖，包括一些相關(guān)的連接器和芯片間的互連器件。 · 芯片視圖是一個(gè)簡(jiǎn)化的芯片內部圖，顯示了接口邏輯、DAC 內核、精密反饋電阻器以及這些模塊的相關(guān)引腳。 · 存儲器映射視圖顯示 AD3552R 的整個(gè)配置空間；該空間可以顯示為寄存器列表或位字段列表。 · 波形發(fā)生器視圖允許為通道分配矢量，以及開(kāi)始或停止波形生成。 · 矢量發(fā)生器視圖允許定義或加載波形，隨后這些波形可以分配給 DAC 通道。 借助評估板和 ACE 軟件，AD3552R 的用戶(hù)可以確認他們通過(guò) LTspice 仿真器做出的決定，并根據需要進(jìn)行調整。用戶(hù)還可以利用該器件的眾多寄存器和可編程功能及特性來(lái)操作該器件。 探索其他數據采集選項 對于可用來(lái)創(chuàng )建可擴展、易優(yōu)化、可重新配置信號鏈平臺的高度可編程元器件，其選擇并不限于 AD3552R 等器件。 例如，Analog Devices 的 ADAQ23878 是一款 18 位、15-MSPS 的 μModule 引腳可綁定解決方案 ADC。這種高速數據采集解決方案通過(guò)使用現成的器件，消除了大量元件選擇、優(yōu)化和布局的設計負擔，從而簡(jiǎn)化并加快了精密測量系統的開(kāi)發(fā)周期。 ADAQ23878 采用系統級封裝 (SIP) 技術(shù)，通過(guò)在單個(gè)器件中組合多個(gè)通用信號處理和調節模塊來(lái)減少終端系統元器件數量。該器件包括一個(gè)低噪聲全差分 ADC 驅動(dòng)器放大器、一個(gè)穩定基準緩沖器以及一個(gè)高速 18 位 15 MSPS 逐次逼近寄存器 (SAR) ADC（圖 6）。
圖 6：ADAQ23878 將信號處理和調節模塊結合在單個(gè)器件中，最大限度地減少了對外部元器件的需求。（圖片來(lái)源：Analog Devices） ADAQ23878 還集成了關(guān)鍵的無(wú)源元器件，這些元器件借助 ADI 的 iPassive 技術(shù)實(shí)現了卓越的匹配和漂移特性，最大限度地減少了與溫度有關(guān)的誤差源，從而實(shí)現了最佳性能。小基底面只有 9 mm × 9 mm，間距為 0.8 mm，并采用 100 焊球 CSP BGA 封裝，因此可以在不犧牲性能的情況下實(shí)現更小的儀器外形尺寸（圖 7）。
圖 7：ADAQ23878 的 SIP 技術(shù)將有源和無(wú)源元器件集成在單個(gè)易于應用的器件中，同時(shí)最大限度減少漂移相關(guān)的誤差源。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 系統集成解決了許多設計挑戰，同時(shí)該器件仍然提供了可配置 ADC 驅動(dòng)反饋環(huán)路的靈活性，以支持增益或衰減調整以及全差分或單端到差分輸入。 例如，它可以是一個(gè)完整的流式細胞儀的核心（請參閱“使用高精度數據采集模塊快速實(shí)現流式細胞儀設計”），或者是一個(gè)寬范圍的電流測量系統，其精度、帶寬和漂移性能與生產(chǎn)測試環(huán)境的臺式和機架式測試設備相當（圖 8）。同時(shí)，該解決方案足夠小，可以集成至需要持續監測的應用中。
圖 8：借助適當的特定應用有源和無(wú)源支持元器件，ADAQ23878 可用作數據采集系統的核心，在寬動(dòng)態(tài)范圍內實(shí)現精確的電流測量。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 該設計結合了分流電阻器、板載放大器和 ADAQ23878 μModule，可對三個(gè)電流范圍進(jìn)行高精度測量。盡管尺寸有限，但該解決方案仍然增加了每塊板的通道數量，同時(shí)也緩解了散熱挑戰，減輕了因自熱造成的系統漂移校準負擔，并優(yōu)化了綜合精度性能。板布局采用四端子分流電阻器，內置開(kāi)爾文連接，減少了電阻溫度系數 (TCR) 的影響，從而與雙端子分流電阻器相比，提供了更好的溫度穩定性（圖 9）。
圖 9：基于 ADAQ23878 μModule 的完整電流測量系統要比必需的連接器小。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 總結 測試與計量設備的設計人員需要精度、性能和靈活性，同時(shí)還需要能夠隨時(shí)重新配置基本設計以服務(wù)于廣泛的用例。如上所述，諸如 AD3552R DAC 等元器件具有許多可編程參數，從而能夠根據需要快速、方便地進(jìn)行定制。AD35525 搭載 ADAQ23878 ADC，另有 LTspice 和評估板及軟件等工具的支持，可在基于平臺的測試系統設計方法中發(fā)揮關(guān)鍵作用，提供了所需的靈活性和性能，同時(shí)最大限度地縮短了重新配置的時(shí)間。 |
