사용자 지정 벤치톱 테스트 + 측정 장비 세대에 이어 유연성, 소프트웨어 제어 및 소형 형상 계수를 갖춘 휴대용 계측기로의 전환이 계속되고 있습니다. 이 기사에서 Analog Devices의 새로운 중간 광역폭 구성품 기술이 어떻게 고성능 모바일 계측기의 새로운 세대를 가능하게 하는지 알아보십시오.
애플리케이션 영역
높은 동적 범위를 가진 모듈식 플랫폼 기기는 21세기의 측정 테이프에 해당합니다. 이 계측기는 광범위한 전문 분야에 걸쳐 혁신, 연구 및 개발을 촉진하는 데 필요한 측정 기능을 제공합니다.
- 풍차의 날개 구조 분석부터 터빈의 건강, 웰빙, 전기 출력에 이르기까지 재료 과학의 연구 개발 분야에서 테스트가 이루어집니다.
- 스트레인/파이조 전기 변환기의 출력을 측정하고, 전압을 조절하고, 구조 상태 및 재료 개발을 위한 정량적 분석을 가능하게 하며, 간섭 없이 명확한 측정을 제공합니다.
- 차량 실내 소음 측정값. 시제품 개발 중에 실내에 배치된 마이크의 출력을 디지털화하여 공장에서 생산 처리량을 증가시키는 더 빠르고 정확한 제어 루프를 구현합니다.
- 전기적 시험:
- 오디오 측정을 통해 음성 작동 제어 및 작동을 위한 고급 마이크 모듈 및 스피커를 개발할 수 있습니다.
- 파라메트릭 측정 정확도와 속도가 테스트 비용과 관련이 있는 패시브 및 액티브 전자 장치에 대한 ATE 내 전기 테스트입니다.
- EEG는 dc에 가까운 특정 광역폭에 걸쳐 매우 높은 동적 범위가 필요합니다. 소형 형상 계수에 패킹될 수백 개의 동시 측정 채널을 패킹하려면 낮은 전력이 필요합니다.
이러한 광범위한 응용프로그램은 동일하게 광범위한 채널 수를 가집니다. 산업용 애플리케이션의 표준 8채널 모듈은 EEG 측정을 위해 512채널 이상까지 확장됩니다. 동시 샘플링을 유지하면서 프론트 엔드 측정 설계를 다수의 채널로 확장하는 것이 핵심입니다. 이는 연구, 개발, 생산 및 최종 운영 세대를 안내하는 데이터의 기초입니다.
측정 채널 밀도를 유지하면서 소형 형상 계수 하우징을 만들려면 전력 효율이 필요합니다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 이보다 앞선 체인의 동적 범위를 110dB로 늘리는 동시에 전류 소비를 억제하는 것은 끊임없는 싸움입니다. 동적 범위, 입력 광역폭 및 현재 소비의 균형을 맞추는 것은 쉽지 않습니다.
AD7768 및 AD7768-4의 기능으로 지원되는 새로운 ADC 하위 시스템이 등장했습니다. 이전보다 더 높은 정확도와 더 넓은 광역폭으로 디지털화할 수 있는 기능과 여러 채널에 걸친 피델리티 및 동기화된 샘플링 기능을 제공합니다. 또한 열 문제를 완화하고 동적 범위, 입력 광역폭 및 현재 소비량의 균형을 높은 동적 범위 모듈식 시스템 설계에서 맞출 수 있는 도구를 제공합니다.
재구성 가능한 열 풋프린트, 소프트웨어 프로그래밍 가능한 측정 광역폭
AD7768은 측정 상황에 맞게 조정될 수 있습니다. 열, 공기 공간 감소 및 능동 냉각 부재는 모두 모듈식 계측기의 제약 사항으로 AD7768은 고속, 중앙값 및 에코 전력 스케일링을 위해 내장된 작동 모드를 사용하여 이를 완화합니다. 주어진 입력 광역폭에 대해 사용자는 모듈 내의 열을 줄여 더 많거나 더 적은 전력을 소비하기로 결정할 수 있습니다. 예를 들어, 51.2kHz의 입력 광역폭을 통한 디지털화를 들 수 있습니다. 이러한 광역폭은 FFT 출력 내에서 정수 빈 크기를 제공하기 때문에 FFT 기반 분석에 널리 사용됩니다. AD7768은 입력 광역폭이 필요한 브릭 월 디지털 필터 프레임을 특징으로 합니다. 낮은 리플 통과 대역과 가파른 전환 대역은 51.2kHz를 약간 넘는 주파수에서 완전 감쇠와 결합합니다. 즉, 나이퀴스트 주파수 주변에서 접히는 일이 없습니다. AD7768의 경우, 사용자는 고속 또는 중앙값 모드에서 작동하도록 선택할 수 있습니다. 현재 소비량과 동적 범위 중 어느 것이 시스템에 가장 제약을 받는지에 따라 결정됩니다. 다음을 살펴보시기 바랍니다.
그림 1. 50kHz 입력 광역폭을 디지털화하고 있습니다. 고속 모드 성능, FFT는 ADA4896-2 구동으로 성능을 보여줍니다. (dec × 64의 고속 모드에서 AD7768은 128kSPS의 출력 속도를 제공합니다) 사전 충전 아날로그 입력 버퍼 ON.
그림 2. 50kHz 입력 광역폭을 디지털화하고 있습니다. 중앙값 모드 성능, FFT는 ADA4896-2 구동으로 성능을 보여줍니다. (dec × 64의 중앙값 모드에서 AD7768은 128kSPS의 출력 속도를 제공합니다) 사전 충전 아날로그 입력 버퍼 ON.
동적 범위 대 전류 소비량의 균형은 다음 기본 설정을 사용하여 여기에 설명되어 있습니다.
MCLK = 32.768MHz, 낮은 리플 통과 대역 필터("브릭 월"), 각 모드에 대한 128kSPS 데이터 정격, 최대 스케일에서 −0.5dB로 1kHz 입력 사인파로 50kHz의 입력 광역폭을 디지털화합니다. 그림 1 및 그림 2는 ADC 성능 비교를 보여줍니다. 이는 아날로그 입력 사인파의 뛰어난 저왜곡 디지털 버전입니다. 중앙값 모드로 전환하면 노이즈 및 동적 범위를 3dB까지 절충하는 대신 전류 소비량을 줄일 수 있습니다.
표 1. 51.2kHz 광역폭에 대한 FFT를 디지털화하고 생성합니다. 가장 높은 동적 범위 또는 가장 낮은 전류 소비량을 선택
1 주의 일부 공급업체는 이 숫자를 SNR(단축 입력 노이즈)로 표시합니다. AD7768은 실제 SNR에 필요한 전체 기준 범위를 사용하여 전체 사인파로 테스트합니다.
2 사전 충전 아날로그 입력 버퍼를 포함합니다. 사전 충전 버퍼는 아날로그 입력 전류와 입력 진폭을 줄여 이전 드라이버 증폭기에서 아날로그 입력을 보다 쉽게 구동할 수 있도록 해 줍니다. AD7768은 사전 충전 버퍼가 켜진 상태에서 왜곡에 뚜렷한 이점을 제공합니다.
기존의 51.2kHz 측정 광역폭의 경우 사용자는 ADC의 전류를 줄이거나 동적 범위를 최대화하도록 선택할 수 있습니다. 파워 스케일링이 ADC에 적용될 뿐만 아니라 ADC 이전의 드라이버 증폭기 회로에도 노크온 효과가 있습니다. 그림 3에 나온 것처럼, 하위 시스템에는 드라이버 증폭기도 포함되어 있으며, 일반적으로 안티앨리어싱을 위한 신호 조절 기능이 포함되어 있습니다.
그림 3. ADC 하위 시스템 전원 스케일링: ADC 전원 스케일링과 함께 드라이버 증폭기의 크기를 줄일 수 있습니다.
전력 소비량이 다른 증폭기를 선택하여 각 전원 모드와 쌍으로 구성할 수 있습니다. 이 표는 고속 모드의 초기 설계를 나중에 동일한 기본 설치 공간을 가진 중앙값 모드 또는 에코 모드에서 사용할 수 있도록 확장할 수 있지만 전류 소비량을 줄이기 위해 용도를 변경할 수 있음을 보여줍니다.
표 2. ADC 전원 모드를 효과적인 드라이버 증폭기 솔루션에 매핑
중앙값 모드를 사용하여 전력 증폭기를 낮게 조정하면 전류 소비량을 더욱 줄일 수 있습니다. 중앙값 모드에서 ADA4807-2 또는 ADA4940-1을 사용한 성능은 50kHz 입력 광역폭을 초과하는 AC 및 DC에 대해 디지털화할 때 그림 4와 그림 5에 나와 있습니다.
그림 4. 중앙값 모드 성능, FFT는 ADC 사전 충전 아날로그 입력 버퍼를 ON으로 구동하는 ADA4807-2에서 성능을 보여 줍니다.
그림 5. 중앙값 모드 성능, FFT는 ADC 사전 충전 아날로그 입력 버퍼를 ON으로 구동하는 ADA4940-1에서 성능을 보여 줍니다.
측정 하위 시스템의 전력 소비를 조정하고 확장할 수 있는 기능이 있으면 두 가지 이점이 있습니다. 첫째, 내장된 전력 스케일링 유연성을 통해 측정 범위 또는 측정 기간(예: 모듈이 배터리에서 전원을 공급받은 경우)을 개선할 수 있습니다. 둘째, 특정 측정 광역폭 및 성능 지점에 맞게 설정 및 조정할 수 있는 기본 플랫폼 설계를 생성하여 최종 고객 측정 과제를 정확하게 충족할 수 있도록 맞춤형 계측기를 개발할 수 있습니다.
소프트웨어 구성 가능한 입력 광역폭 및 지연 시간—채널 그룹에 적용
AD7768을 사용하여 ADC의 전류 소비량과 동적 범위를 조정할 수 있을 뿐만 아니라, 측정 상황에 맞게 조정할 수 있는 구성 가능한 필터링도 있습니다. 브릭 월, 낮은 리플 필터는 광범위한 주파수 범위에서 정확도를 높이는 데 매우 유용합니다. 통합/평균 시간이 길다는 단점이 있습니다. 그 결과, 디지털화된 버전의 아날로그 입력을 보기 전에 34개의 데이터 주기 범위에서 AD7768의 그룹 지연이 상대적으로 크게 나타납니다. 250kSPS에서 고속 모드로 실행되는 상대적인 시간 척도를 제공하기 위해 각 데이터 변환 주기는 4μs이므로 그룹 지연은 136μs입니다. 이는 제어 루프 또는 주파수에 대한 정확도보다 빠른 응답을 중요시할 수 있는 애플리케이션에서는 허용되지 않을 수 있습니다. 제어 루프에 대해 이러한 높은 동적 범위 측정을 활성화하려면 sinc5 필터를 사용할 수 있습니다. 이 경로를 사용하면 광대역 필터에 비해 그룹 지연이 10배 감소합니다.
이 경로를 사용하면 광대역 필터에 비해 그룹 지연이 10배 감소합니다. 각 ADC는 두 채널 그룹 중 하나에 할당될 수 있습니다. 그런 다음 각 그룹을 두 필터 중 하나에 할당하고 사용 가능한 6개 소멸 속도 중 하나를 통해 속도를 설정할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 8개의 ADC 내에서 다양한 측정 유형을 완료할 수 있으며 각 ADC가 개별적이었던 시나리오와 유사한 소프트웨어 설정을 통해 구성할 수 있습니다. 예를 들어, 중요한 산업 자산을 모니터링할 때 사용자는 다른 아날로그 입력 채널에서 진동 센서를 측정하는 동시에 4mA에서 20mA 송신기 또는 전압 출력 송신기의 dc 출력을 측정하고자 할 수 있습니다. 진동이 별도의 동시 채널에서 측정되는 동안 송신기에서 DC 응답을 읽고 제어 루프에 공급할 수 있습니다. 입력 광역폭과 대기 시간 기능의 혼합은 산업 환경을 위한 맞춤형 고가치 계측기를 만드는 기초가 됩니다. 하나의 계측기는 프로세스 변수를 실행하고 플랜트 진동 정보를 통합하는 이중 기능을 모두 하나의 시스템에서 동시에 수행합니다.
그림 6. sinc5 필터의 그룹 지연을 광대역 필터와 비교. Sinc5는 아날로그 입력의 입력 변화에 대한 빠른 응답을 제공하며, 루프 지연을 최소화하는 것이 핵심인 제어 루프 애플리케이션에 적합합니다. 녹색 점은 그룹 지연 시간의 표본을 나타내고, 분홍색 점은 각 필터의 최종 설정 값을 나타냅니다.
그림 7. 서로 다른 필터 유형마다 다른 ADC 채널을 구성합니다. 두 그룹이 있습니다. A는 광대역, B sinc를 사용하고 있습니다. 각 그룹의 소멸 속도는 SPI를 통해 구성될 수도 있습니다.
확장 가능한 고속 및 저전력으로 고성능을 구현하여 최신 형상 계수와 사용 사례를 제공
더 큰 고정형 계측기에서 더 많은 모바일 및 유연한 장치로 이동하는 것은 계속해서 인기를 얻고 있습니다. 이들은 다양한 산업, 시장 및 애플리케이션에서 진보된 개발과 혁신을 위한 귀중한 잠재력을 제공합니다. 이러한 동적 범위, 입력 광역폭 및 현재 소비에 대한 과제가 존재하지만, 고급 ADC는 이를 완화하고 설계자에게 이전보다 더 큰 기능을 갖춘 도구를 제공하는 데 도움이 되고 있습니다.
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