カスタムベンチトップテスト+測定機器の世代に続いて、より柔軟性が高く、ソフトウェア制御で、より小型のフォームファクタを備えたハンドヘルド機器への移行が続いています。この記事では、 Analog Devices の新しい中帯域幅コンポーネント テクノロジが、新世代の高性能モバイル計測機器をどのように実現しているかについて説明します。
応用分野
高いダイナミック レンジを備えたモジュラー プラットフォーム機器は、21世紀の巻尺に相当します。この機器は、幅広い専門分野にわたるさらなる革新、研究、開発に必要な測定機能を提供します。
- 風車のブレードの構造分析からタービンの健全性、健康状態、電気出力まで、材料科学の研究開発分野におけるテスト。
- ひずみ/圧電トランスデューサーの出力を測定し、それらの電圧を調整して構造の健全性と材料開発のための定量分析を可能にし、干渉のない明確な測定を提供します。
- 自動車の車内騒音の測定。プロトタイプの開発中にキャビン内に設置されたマイクの出力をデジタル化し、工場の生産現場での生産スループットを向上させる、より高速で正確な制御ループを実現します。
- 電気テスト:
- 音声による制御と操作のための高度なマイク モジュールとスピーカーの開発を可能にするオーディオ測定。
- パラメトリック測定の精度と速度がテストのコストに関係する、パッシブおよびアクティブ電子機器の両方に対するATE内の電気テスト。
- EEGには、DCに近い特定の帯域幅にわたる極めて高いダイナミック レンジが必要です。数百の同時測定チャネルを小型フォームファクタに詰め込むには、より低い消費電力が必要です。
これらの幅広いアプリケーションには、同様に幅広いチャネル数があります。産業用アプリケーションの標準8チャネル モジュールは、EEG測定用に512チャネル以上に拡張されます。同時サンプリングを維持しながら、フロントエンド測定設計を多数のチャネルに拡張することが重要です。これは、一連の研究、開発、生産、最終運用を導くデータの基礎となります。
測定チャネル密度を維持しながら、より小型のフォーム ファクタのハウジングを作成するには、電力効率が必要です。電流消費を抑えながら、アナログ/デジタル コンバータ (ADC) とその前段のチェーンのダイナミック レンジを110 dBまで拡大することは、絶え間ない戦いです。ダイナミック レンジ、入力帯域幅、電流消費のバランスを取るのは簡単ではありません。
AD7768およびAD7768-4の機能によってサポートされる新しいADCサブシステムが登場しました。従来よりも高い精度でより広い帯域幅にデジタル化する機能を提供し、複数のチャネルにわたって忠実かつ同期したサンプリングを実現します。また、高ダイナミック レンジのモジュラー システム設計において、熱の問題を緩和し、ダイナミック レンジ、入力帯域幅、電流消費の適切なバランスを実現するためのツールも提供します。
再構成可能な熱フットプリント、ソフトウェアでプログラム可能な測定帯域幅
AD7768は測定状況に適応できます。熱、空隙の減少、アクティブ冷却の欠如はすべてモジュール式計測器の制約ですが、AD7768は高速、中間、エコ電力スケーリングの組み込み動作モードを使用してこれらの制約を緩和します。特定の入力帯域幅に対して、ユーザーはより多くの電力またはより少ない電力を消費することを決定し、モジュール内の熱を減らすことができます。一例としては、51.2 kHzの入力帯域幅でデジタル化することが挙げられます。このような帯域幅は、FFT出力内で整数のビン サイズを提供するため、FFTベースの分析でよく使用されます。AD7768は、入力帯域幅を必要とするブリックウォール デジタル フィルタ フレームを備えています。低リップルの通過帯域と急峻な遷移帯域が組み合わされ、51.2 kHzを超える周波数で完全に減衰します。つまり、ナイキスト周波数付近からの折り返しはありません。AD7768の場合、ユーザーは高速モードまたは中間モードのいずれかで動作することを選択できます。システムにとってどちらが制約されているかに応じて、電流消費とダイナミック レンジのどちらかを決定します。見てみましょう:
図1. 50 kHz入力帯域幅をデジタル化します。高速モードのパフォーマンス、ADA4896-2駆動によるパフォーマンスを示すFFT。(AD7768の高速モードのdec × 64では出力レートが128 kSPSになります) アナログ入力バッファをオンのプリチャージします。
図2. 50 kHz入力帯域幅のデジタル化。中間モードのパフォーマンス、ADA4896-2駆動によるパフォーマンスを示すFFT。(AD7768は、dec × 32の中央モードでは出力レートが128 kSPSになります) アナログ入力バッファをオンのプリチャージします。
ここでは、ダイナミック レンジと消費電流のトレードオフを次の基本設定を使用して示します:
MCLK = 32.768 MHz、低リップル パスバンド フィルタ (「ブリック ウォール」)、各モードのデータ レート128 kSPS、フル スケールから -0.5 dB低い1 kHz入力正弦波で50 kHzの入力帯域幅をデジタル化します。図1 と 図2 は、ADCパフォーマンスの比較を示しています。これは、アナログ入力正弦波の優れた低歪みデジタル バージョンです。中間モードに移行すると、ノイズとダイナミック レンジが3 dB低下する代わりに、電流消費を削減できます。
表1. 51.2 kHz帯域幅のFFTのデジタル化と作成。最高のダイナミックレンジか最低の消費電流かを選ぶ
1 注、一部のベンダーはこの数値をSNR (短絡入力ノイズ) として表現します。AD7768は完全な正弦波でテストし、真のSNRに必要な完全な基準範囲を実行します。
2 プリチャージアナログ入力バッファが含まれます。プリチャージ バッファは、アナログ入力電流と入力振幅の比率を減らし、前段のドライバ アンプによるアナログ入力の駆動を容易にします。AD7768は、プリチャージ バッファをオンにすると歪みに関して明確な利点を発揮します。
従来の51.2 kHz測定帯域幅の場合、ユーザーは電流を減らすか、ADCのダイナミック レンジを最大化するかを選択できます。電力スケーリングはADCに適用されるだけでなく、ADCの前のドライバ アンプ回路にも連鎖的な影響があります。図3 に示すように、サブシステムにはドライバ アンプも含まれており、通常はアンチエイリアシング用の信号調整機能も備えています。
図3. ADCサブシステムの電力スケーリング: ドライバ アンプのフットプリントは、ADCの電力スケーリングと組み合わせて、より低電流のアンプを使用して再配置できます。
消費電力の異なるアンプを選択して、各電力モードと組み合わせることができます。この表は、高速モード用の初期設計を、後で同じ基本フットプリントで中間モードまたはエコ モードのいずれかで使用できるように拡張し、より低い電流消費向けに再利用できることを示しています。
表2. ADC電力モードと効果的なドライバ アンプ ソリューションのマッピング
中間モードを使用して低電力アンプにスケーリングすると、電流消費をさらに削減できます。ADA4807-2またはADA4940-1のいずれかをメディアン モードで使用する場合のパフォーマンスは、50 kHzの入力帯域幅でACおよびDCをデジタル化する場合、 図4 と 図5 に示されています。
図4. 中間モードのパフォーマンス、ADA4807-2がADCプリチャージ アナログ入力バッファをオンにして駆動した場合のパフォーマンスを示すFFT。
図5. 中間モードのパフォーマンス、ADA4940-1がADCプリチャージ アナログ入力バッファをオンにして駆動した場合のパフォーマンスを示すFFT。
測定サブシステムの電力消費を調整および拡張できることにより、2つの利点が得られます。まず、組み込みの電力スケーリングの柔軟性により、測定範囲または測定期間のいずれかをオンザフライで改善する柔軟性が得られます (たとえば、モジュールがバッテリーから電力を供給されている場合)。第二に、特定の測定帯域幅とパフォーマンス ポイントに合わせて設定および調整できる基本プラットフォーム設計を作成できるため、最終顧客の測定課題を正確に満たすカスタム機器が開発されます。
ソフトウェアで設定可能な入力帯域幅とレイテンシ - チャネルグループへの適用
AD7768を使用してADCの電流消費とダイナミック レンジをスケーリングするだけでなく、測定状況に合わせて調整できる設定可能なフィルタリングも存在します。ブリックウォール、低リップル フィルターは、広い周波数範囲にわたってゲイン精度を提供するのに最適です。欠点は、積分/平均化の時間が長いことです。その結果、AD7768のグループ遅延は比較的大きくなり、アナログ入力のデジタル化されたバージョンが表示されるまでに34データ サイクルの範囲になります。相対的なタイムスケールを示すために、250 kSPSの高速モードで実行する場合、各データ変換サイクルは4 μsなので、グループ遅延は136 μsになります。これは、制御ループや、周波数に対するゲイン精度よりも高速応答を重視するアプリケーションでは許容されない可能性があります。制御ループでこれらの高ダイナミック レンジ測定を有効にするには、sinc5フィルターを使用できます。このパスは、広帯域フィルタに比べてグループ遅延を10分の1に削減します。
AD7768の便利な機能は、ユーザーがチャンネル間でフィルタの種類を混在させることができることです。各ADCは、2つのチャネル グループのいずれかに割り当てることができます。各グループは2つのフィルターのいずれかに割り当てられ、その速度は6つのデシメーション レートのいずれかで設定されます。この機能により、8つのADC内で異なる測定タイプを完了できるようになり、各ADCが個別である場合と同様にソフトウェア設定で構成できるようになります。一例として、重要な産業資産を監視する場合、ユーザーは別のアナログ入力チャネルで振動センサーを測定すると同時に、4 mA ～ 20 mAトランスミッターまたは電圧出力トランスミッターからのDC出力を測定したい場合があります。振動が別の同時チャネルで測定されている間に、DC応答を送信機から読み取り、制御ループに送ることができます。入力帯域幅とレイテンシ機能の組み合わせは、産業環境向けのカスタムの高価値機器を作成するための基礎となります。つまり、プロセス変数の実行とプラントの振動情報の統合という2つの機能をすべて1つのシステムで同時に1つの機器で実行します。
図6. sinc5フィルターと広帯域フィルターのグループ遅延を比較します。Sinc5は、アナログ入力の入力変化に対して高速応答を提供し、ループ遅延を最小限に抑えることが重要な制御ループ アプリケーションに適しています。緑の点はグループ遅延時間におけるサンプルを表し、ピンクの点は各フィルターからの最終的な確定値を示します。
図7. 異なるフィルタ タイプに対して異なるADCチャネルを構成します。2つのグループ: Aは広帯域を使用し、Bはsincを使用します。各グループのデシメーション レートもSPI経由で設定できます。
スケーラブルな高速性と低消費電力による高性能で、最新のフォームファクタとユースケースを実現
大型の固定式計測機器から、よりモバイル性と柔軟性に優れたデバイスへの移行は、引き続き人気が高まっています。これらは、幅広い業界、市場、アプリケーションにおける高度な開発と革新のための貴重な可能性を提供します。ダイナミック レンジ、入力帯域幅、電流消費などの課題は存在しますが、高度なADCはそれらの課題を軽減し、設計者にこれまでよりも優れた機能を備えたツールを提供します。
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