数世代にわたるカスタムベンチトップ計測器に続いて、柔軟性、ソフトウェア制御、小型フォームファクタが向上したモジュール式計測器への移行が続いています。しかし、ノイズと測定精度の目標を満たしながら消費電力を低減することは、依然として課題となっています。
変化の要素の1つは、モビリティを可能にすることです。大規模なカスタム システムやラック ベースのシステムには、ロジスティクスの観点から制限があります。キャビネット/デスクトップ機器を小さなノードに分割することで、カスタム構成が可能になり、テスト サイトまたは対象の環境と地理に合わせて機器を最適化できます。測定ノードのモビリティを向上させることで、トランスデューサ ケーブルへの配線が削減され、大きなラックの正しい入力に多数のケーブルを接続する必要がなくなり、測定の設置における煩わしさが最小限に抑えられます。フォーム ファクターが変化しているにもかかわらず、最適なテスト パフォーマンス、確実性、および精度の必要性は変わりません。
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、幅広い業界にわたる21世紀の高度な開発とイノベーションの測定テープに似ています。
• 風車のブレードからタービンの健全性、健康状態、電気出力に至るまで、あらゆるものの構造分析など、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に関する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。
• 自動車の車内騒音アプリケーション向けの測定。プロトタイプ開発中のデジタル化マイクの配置から、工場の生産現場での生産スループットを向上させるためのより高速で正確な制御ループまで、さまざまな用途に使用できます。
• 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。
• 神経経路をマッピングし、電気信号を測定して脳機能データを収集します。ここで明らかに必要なのは、より低い帯域幅、より高いダイナミック レンジ、低消費電力、およびより小型のフォーム ファクターです。
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でデジタル化します。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FAST、MEDIAN、ECO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、必要な入力帯域幅をフレーム化するブリックウォール デジタル フィルタを備えています。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FASTモードまたはMEDIANモードのいずれかで動作することを選択できます。決定は、電流消費とダイナミック レンジの間で行われます。具体的には、システムにとってどちらがより制約が厳しいかです。見てみましょう:
MCLK = 32.768MHz、低リップル パスバンド フィルタ ("Brick Wall")、各モードのデータ レートは128ksps、フルスケールから -0.5dB低い1kHz入力正弦波で50kHz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3dB低下する代わりに、電流消費を削減できます。
表1. 51.2 kHz帯域幅のデジタル化とFFTの作成。最高のダイナミックレンジまたは最低の消費電流を選択
1一部のベンダーでは、この数値をSNR (短絡入力ノイズ) として表現していることに注意してください。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ています。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、アナログ入力を前段のドライバ アンプに対して駆動しやすくします。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。
形 3. ADCサブシステムの電力スケーリング：ADCの電力スケーリングと合わせて、ドライバアンプのフットプリントを低電流アンプで再配置できます。
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、FASTモードの初期設計を、後で同じ基本フットプリントでMEDIANモードまたはECO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。ADA4907-2またはADA4940-1のいずれかを中央値モードで使用して、50kHzの入力帯域幅でACとDCをデジタル化する際のパフォーマンスは、図4と図5に示されています。
測定サブシステムの電力消費を調整および拡張する機能により、組み込みの電力拡張の柔軟性と、さまざまな測定帯域幅、パフォーマンス ポイント、および最終測定市場に適応できる基本プラットフォーム設計を作成する機能という2つの利点が得られます。
ソフトウェアで設定可能な入力帯域幅と遅延、およびそれをチャネルグループに適用する
AD7768は、ADCの電流消費とダイナミック レンジのスケーリングに使用できるだけでなく、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備えています。ブリックウォールの低リップル 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でFASTモードで実行する場合、各データ変換サイクルは4 usなので、グループ遅延は136 us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。制御ループのこれらの高ダイナミック レンジ測定を可能にするために、Sinc 5フィルター パスが使用されます。
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。
図4. Sinc 5フィルタと広帯域フィルタのグループ遅延の比較。Sinc 5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安定値を示します。)
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シナリオが挙げられます。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、4-20 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出力を測定することもできます。振動は別の同時チャネルで測定されている間に、DC応答はトランスミッターから読み取られ、制御ループに送られます。この入力帯域幅とレイテンシ機能の組み合わせにより、産業環境でカスタムの高価値計測が可能になり、プロセス変数を実行するだけでなく、プラントの振動情報のバランスを重ねて統合することができます。
図5. 異なるフィルタ タイプごとに異なる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します。
大型で固定式の計測機器から、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。
著者について
Michael Cliffordは、Analog Devices Inc. (アイルランド、リムリック) のリニアおよび高精度テクノロジー アプリケーション チームのメンバーです。彼は2004年からアナログ デバイスに勤務しており、高精度のアナログ - デジタル コンバータ製品、特に高精度のDCおよびAC測定にシグマ デルタ トポロジを使用する製品に注力しています。彼はコーク大学（UCC）で電気電子工学（BEEE）の学士号を取得しています。