如何有效地平衡测试与计量解决方案的延时、带宽和性能

来源：Digi-Key
作者：Bill Schweber

对于汽车试验台和硬件在环 (HIL) 子系统等测试和计量解决方案的设计人员来说，他们面临着日益严峻的挑战，必须在高性能、低延迟和宽带宽之间找到最佳平衡。同时，他们需要灵活性和可重新配置性来支持快速变化的系统要求，并为广泛的用例提供服务。

若要按照传统方法来满足这些要求，同时在采样率增加时保持精确的交流和直流性能，就需要耗费大量的设计/调试时间和精力。而当改变元器件以适应试验台和仪器目标的变化时，就需要重新设计，更增加了这种精力耗费。

现在有了更好的替代方案，即一个基于可编程、可重新配置和可重复使用的设备的平台。这些“锚”部件建立了一个性能基准，可以在单一类型的应用甚至是多个不同的应用中使用和重复使用。

本文以 Analog Devices 的 AD3552R 数模转换器 (DAC) 为例，说明可编程元器件如何实现设计人员的目标，创建一个可扩展、易优化和可重新配置的信号链平台。文中探讨了评估板和 LTspice 支持，以帮助设计人员入门。此外，还介绍了高度集成的 ADAQ23878 模数转换器 (ADC)。在基于平台的方法中，该转换器可与 AD3552R 一起构成两个关键且互补的锚部件。

集成和可编程性简化了设计

随着测试系统要求的变化，一些通常成功的传统技术一直被用来最大限度地提高精度和减少误差，尽管它们会增加设计和元器件成本，它们包括：

· 选择“更好的”元器件，如公差更精密或温度系数更低的电阻器，以尽量减少初始性能的不足，以及随时间和温度变化带来的问题。
· 使用在很大程度上支持自消除不可避免误差的拓扑结构，如匹配的电阻器和差分电路或经典惠斯通电桥。
· 通过使用“黄金”元器件提供初始和持续校准，例如可以与所有其他关键电压进行比较的精密基准电压源。

当应用需要频繁更新 ADC 和 DAC 时，成功使用这些技术对测试系统设计人员来说变得更具挑战性。

要避开众多此类挑战，基于平台的可编程方法是个更好的选择。它可以最大限度地减少甚至消除对初始项目“从头开始”设计的需求，以及随着要求变化而重新设计的需求。该方法还确保采用一致的方式对设计进行评估和仿真。这种可编程方法的一个关键元件是 DAC（图 1）。


图 1：DAC 是测试和仪器应用中的一个关键功能；随着测试系统要求变得更具挑战性，其能力受到密切关注。（图片来源：Analog Devices）

在测试和控制应用中，DAC 的性能和能力面临的“压力”越来越大，这些应用在较大范围内既要求精度又要求高速度。此外，它们还要求具备灵活性，需要易于重新配置而省去全面或复杂的重新设计和重新认证周期。

ADI 的 AD3552R 是一款 16 位、每秒 3300 万次更新 (MUPS)、多跨度、双输出 SPI DAC（图 2），因此能够满足性能目标。除了基本的性能属性外，AD3552R 还有另一个优势：很容易重新配置，以满足新的或不断变化的项目目标。这种可重新配置性可以高度保障这些目标的实现，不会带来新的和不需要的“意外”。


图 2：AD3552R 是一款 16 位、33 MUPS、多跨度、双输出的 SPI DAC，可以轻松地针对不同的性能属性进行重新配置。（图片来源：Analog Devices）

AD3552R 采用 5 mm × 5 mm LFCSP 封装，以固定的 2.5 V 参考电压工作，但可通过软件针对多个电压跨度输出范围进行配置。它还可以实现性能、精度、速度和灵活性的最佳平衡。

该器件集成了三个漂移补偿反馈电阻器，用于支持调节输出电压的外部跨阻放大器 (TIA)。偏移和增益调节寄存器允许生成多个输出跨度范围，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 位分辨率的自定义中间范围。

此外，为了解决众所周知的“速度与精度”难题，AD3552R DAC 可以在快速模式下工作，以获得最大的速度和最快的建立时间，或者在精密模式下工作，以获得最高的精度和最大的准确性。在快速模式下，DAC 数据以 16 位字的形式加载，使得单通道更新率为 33 MUPS。相比之下，在精密模式下，数据以 24 位写入，使得单通道更新率为 22 MUPS。

对于那些需要更低噪声强度和更快建立时间并且可以接受更高功耗的应用，AD3552R 支持将两个 DAC 通道合并，从而形成单一输出（图 3）。两个 DAC 必须使用相同的代码同时进行更新，以获得使用单个 DAC 产生的相同电压输出；AD3552R 提供了几种有效的方法来实现这一点。


图 3：AD3552R 的两个输出可以合并在一起，以降低噪声强度，同时加快建立时间。（图片来源：Analog Devices）

该器件的 SPI 接口也很灵活，因为它可以配置为单 SPI（经典 SPI）、双 SPI、同步双 SPI 和四 SPI 模式，按单倍数据速率 (SDR) 或双倍数据速率 (DDR) 工作，逻辑电平为 1.2 至 1.8 V。此外，由于数据完整性也是一个持续且日益受到关注的问题，因此可以使该器件内置循环冗余校验 (CRC)。该器件还集成了多个错误校验器来检测 VREF 故障或存储器映射损坏。

仿真模型加快配置速度，增强信心

尽管 AD3552R 是一个宽带精密器件，但其众多用户可编程参数之间总会存在权衡问题。为了加速了解这些设计方案的影响并帮助设计人员入门，该器件采用评估板以及 LTspice 支持，用于评估噪声、瞬态分析、交流仿真和其他参数。这简化了延时/性能优化，因此设计人员不必在没有可靠数据的情况下设置参数值或做出妥协。

在信号链中使用 LTspice 的能力让所有元件配合在一起，因此用户可以清楚地了解整个信号链的性能。这一点特别重要，因为 AD3552R 提供：

· 10 个电流范围；由数字配置的增益调节值组合而成。
· 3 个跨阻增益值；因连接其中一个反馈电阻器产生。
· 总计 511 个数字配置的直流偏移值。

总共有 15,330 种组合，显然超出了任何“动手”试验板方法甚至选择性人工评估的范围。

AD3552R 的 LTspice 模型更新了注重模拟输出的传统 DAC 模型，提供了更加注重数字化的仿真。该模型中有些寄存器（特别是那些与数字增益调节和直流偏移有关的寄存器）的功能可以进行仿真，而且该模型还能够高保真地再现动态和噪声性能。LTspice 软件所仿真的 AD3552R 性能特点包括：

· 输出范围仿真：直流扫描仿真可用于确认给定参数配置的输出电压范围。其中还考虑了运算放大器的上裕量（范围上限）和下裕量（范围下限）所带来的限制，进而可以轻松预测输出信号的任何饱和度。
· 阶跃响应调校：用阶梯波形进行瞬态仿真有助于调整 TIA 反馈电容和输出滤波器的值，以达到所需的上升时间、建立时间和过冲，并且还可以与参数扫描相结合来找到部件的最佳值。仿真还考虑了放大器和 DAC 的驱动能力，以估计信号的压摆率和上升时间。（请注意，该值是个起点，因为仿真电路不包括评估板和器件封装的寄生效应）。
· 交流带宽仿真：交流扫描仿真可用于在输出信号为谐波的应用中调整 TIA 反馈电容和输出滤波器的值。
· 噪声强度仿真：该特点可以预测 DAC 和 TIA 输出端的噪声强度，包括 1/f 区域和热噪声区域。AD3552R 的 LTspice 模型可以捕获噪声强度随代码的变化，并且考虑 TIA 的增益，而该增益会放大当前 DAC 输出端的噪声。

有关 LTspice 的更多信息，请参阅“在灵敏仪器设计过程中如何使用 LTspice 确定光电感应噪声性能。”

用真实的硬件进行实践和测试

仿真非常有用且很有必要，但正如任何有经验的工程师所知，它们不能完全取代实际评估，尤其是当器件外部的寄生效应等因素可能会影响性能时。对于 AD3552R，EVAL-AD3552RFMCxZ 可用于满足这一需求，它有两种型号：EVAL-AD3552RFMC1Z 适用于更高的速度，而 EVAL-AD3552RFMC2Z 适用于更高的精度（图 4）。


图 4：EVAL-AD3552RFMCxZ（左：顶层；右：底层）有两个类似的版本，其中一个针对速度进行了优化，另一个针对精度进行了优化。（图片来源：Analog Devices）

该评估板的软件使用了 ADI 的“分析、控制、评估”(ACE) 软件包。这个软件包是一款桌面应用程序，可用于评估和控制 ADI 产品组合中的多个评估系统。该应用程序由一个通用框架和各个元器件特定的插件组成。

对于 AD3552R，ACE 有几个视图来控制 DAC 的不同方面。当首次打开某个视图时，程序会在主窗口顶部创建一个新选项卡。AD3552R 插件可生成一个视图层次结构：评估板视图、芯片视图、存储器映射视图和分析视图，其中分析视图结合了波形发生器视图和矢量发生器视图（图 5）。


图 5：AD3552R 的 ACE 插件可生成一个从高级系统视图到基本分析视图的视图层次结构。（图片来源：Analog Devices）

· 评估板视图显示一个评估板简化示意图，包括一些相关的连接器和芯片间的互连器件。
· 芯片视图是一个简化的芯片内部图，显示了接口逻辑、DAC 内核、精密反馈电阻器以及这些模块的相关引脚。
· 存储器映射视图显示 AD3552R 的整个配置空间；该空间可以显示为寄存器列表或位字段列表。
· 波形发生器视图允许为通道分配矢量，以及开始或停止波形生成。
· 矢量发生器视图允许定义或加载波形，随后这些波形可以分配给 DAC 通道。

借助评估板和 ACE 软件，AD3552R 的用户可以确认他们通过 LTspice 仿真器做出的决定，并根据需要进行调整。用户还可以利用该器件的众多寄存器和可编程功能及特性来操作该器件。

探索其他数据采集选项

对于可用来创建可扩展、易优化、可重新配置信号链平台的高度可编程元器件，其选择并不限于 AD3552R 等器件。

例如，Analog Devices 的 ADAQ23878 是一款 18 位、15-MSPS 的 μModule 引脚可绑定解决方案 ADC。这种高速数据采集解决方案通过使用现成的器件，消除了大量元件选择、优化和布局的设计负担，从而简化并加快了精密测量系统的开发周期。

ADAQ23878 采用系统级封装 (SIP) 技术，通过在单个器件中组合多个通用信号处理和调节模块来减少终端系统元器件数量。该器件包括一个低噪声全差分 ADC 驱动器放大器、一个稳定基准缓冲器以及一个高速 18 位 15 MSPS 逐次逼近寄存器 (SAR) ADC（图 6）。


图 6：ADAQ23878 将信号处理和调节模块结合在单个器件中，最大限度地减少了对外部元器件的需求。（图片来源：Analog Devices）

ADAQ23878 还集成了关键的无源元器件，这些元器件借助 ADI 的 iPassive 技术实现了卓越的匹配和漂移特性，最大限度地减少了与温度有关的误差源，从而实现了最佳性能。小基底面只有 9 mm × 9 mm，间距为 0.8 mm，并采用 100 焊球 CSP BGA 封装，因此可以在不牺牲性能的情况下实现更小的仪器外形尺寸（图 7）。


图 7：ADAQ23878 的 SIP 技术将有源和无源元器件集成在单个易于应用的器件中，同时最大限度减少漂移相关的误差源。（图片来源：Analog Devices）

系统集成解决了许多设计挑战，同时该器件仍然提供了可配置 ADC 驱动反馈环路的灵活性，以支持增益或衰减调整以及全差分或单端到差分输入。

例如，它可以是一个完整的流式细胞仪的核心（请参阅“使用高精度数据采集模块快速实现流式细胞仪设计”），或者是一个宽范围的电流测量系统，其精度、带宽和漂移性能与生产测试环境的台式和机架式测试设备相当（图 8）。同时，该解决方案足够小，可以集成至需要持续监测的应用中。


图 8：借助适当的特定应用有源和无源支持元器件，ADAQ23878 可用作数据采集系统的核心，在宽动态范围内实现精确的电流测量。（图片来源：Analog Devices）

该设计结合了分流电阻器、板载放大器和 ADAQ23878 μModule，可对三个电流范围进行高精度测量。尽管尺寸有限，但该解决方案仍然增加了每块板的通道数量，同时也缓解了散热挑战，减轻了因自热造成的系统漂移校准负担，并优化了综合精度性能。板布局采用四端子分流电阻器，内置开尔文连接，减少了电阻温度系数 (TCR) 的影响，从而与双端子分流电阻器相比，提供了更好的温度稳定性（图 9）。


图 9：基于 ADAQ23878 μModule 的完整电流测量系统要比必需的连接器小。（图片来源：Analog Devices）

总结

测试与计量设备的设计人员需要精度、性能和灵活性，同时还需要能够随时重新配置基本设计以服务于广泛的用例。如上所述，诸如 AD3552R DAC 等元器件具有许多可编程参数，从而能够根据需要快速、方便地进行定制。AD35525 搭载 ADAQ23878 ADC，另有 LTspice 和评估板及软件等工具的支持，可在基于平台的测试系统设计方法中发挥关键作用，提供了所需的灵活性和性能，同时最大限度地缩短了重新配置的时间。