شبیه‌سازی زنجیره سیگنال اکتساب داده‌ها می‌تواند انتخاب و آزمایش اجزا را ساده‌تر کند

در گذشته، طراحی یک سیستم جمع‌آوری داده‌ها به معنای یافتن ترکیب‌های مناسب از اجزای مجموعه‌ای از جداول داده و عیب‌یابی نمونه اولیه مونتاژ شده بود. اکنون، طراحان می‌توانند از ابزارهای طراحی دیجیتال برای کشیدن و رها کردن مدل‌های حسگرها، بلوک‌های تهویه سیگنال آنالوگ، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) و فیلترهای دیجیتال به زنجیره‌های سیگنال مجازی استفاده کنند و در زمان صرفه‌جویی کنند و مسیرهای انحرافی را کاهش دهند. این نرم‌افزار می‌تواند خروجی زنجیره مجازی را شبیه‌سازی کند و به طراحان این امکان را می‌دهد که بفهمند اجزای انتخاب‌شده چگونه بر نتایج تأثیر می‌گذارند، مانند نسبت سیگنال به نویز (SNR)، خطاهای افزایش و افست و قدرت.

مجموعه طراحی دیجیتال آنالوگ، شرکت (ADI) Precision Studio، از جمله طراح زنجیره سیگنال، ترجمه نشده است. این ماژول می تواند به طراحان کمک کند تا سیستم های جمع آوری داده ها را قبل از ایجاد آنها شبیه سازی کنند. در Signal Chain Designer، کاربران می توانند یک حسگر را انتخاب کنند، پارامترهایی را برای مدل تنظیم کنند، و سپس آن را در بلوک مداری که اجزای زنجیره سیگنال را نشان می دهد، قرار دهند (شکل 1).

طراح زنجیره سیگنال در ADI Precision Studio
شکل 1: با استفاده از Signal Chain Designer در ADI Precision Studio، طراحان می توانند حسگرها را انتخاب کرده و بلوک های مدار مربوطه را به زنجیره سیگنال برای شبیه سازی اجزای اکتساب داده ها بکشند. (منبع تصویر: Analog Devices, Inc.)

قبل از تبدیل سیگنال‌های حسگر به داده‌های قابل اعتماد، آنها باید تحت پردازش چند سطحی قرار گیرند که هر سطح شامل یک یا چند قطعه الکترونیکی یا ماژول‌های IC مدار مجتمع است که به عنوان سیگنال پیش پردازش برای سطح بعدی عمل می‌کند. رایج ترین مرحله پردازش می تواند سیگنال های آنالوگ را تقویت کند، سیگنال های آنالوگ را فیلتر کند، سیگنال های آنالوگ را به سیگنال های دیجیتال تبدیل کند و سیگنال های دیجیتال را فیلتر کند.

مرحله تقویت سیگنال آنالوگ
سیگنال های آنالوگ تولید شده توسط سنسورها اغلب با ورودی بهینه سیستم جمع آوری داده مطابقت ندارند. مرحله تقویت سیگنال آنالوگ از تقویت‌کننده‌های عملیاتی (OpAmp)، تقویت‌کننده‌های کاملاً دیفرانسیل، مراجع ولتاژ و همچنین اجزای غیرفعال مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها و سلف‌ها برای تبدیل سیگنال‌های حسگر به شکل مؤثر مورد نیاز سیستم جمع‌آوری داده استفاده می‌کند.

در Signal Chain Designer، کاربران می توانند انواع ورودی و خروجی، بهره مورد نیاز و تغییر سطح مورد نیاز را برای دستیابی به ورودی ولتاژ صحیح برای مراحل تقویت آنالوگ تنظیم کنند. سپس، نرم افزار از محصولات ADI برای ساخت مدارهایی استفاده می کند که پارامترهای تنظیم شده را برآورده می کند و نمودارهای شماتیک را خروجی می دهد.

به عنوان مثال، برای سنسور با امپدانس 1 kΩ، فرکانس 1 کیلوهرتز و ظرفیت خازنی 100 pF استفاده شده در شکل 1، کاربر می تواند بهره را روی 2 V/V و سطح آفست را روی 2.5 V تنظیم کند (شکل 2).

کاربران می توانند پارامترهایی مانند پیکربندی، افزایش و تغییر سطح را تنظیم کنند
شکل 2: تنظیمات کاربر برای پیکربندی مرحله تقویت سیگنال آنالوگ، بهره، تغییر سطح و سایر پارامترها در Signal Chain Designer. (منبع تصویر: Analog Devices, Inc.)

بر اساس این پارامترها، نرم افزار یک مدار شماتیک از مرحله تقویت سیگنال آنالوگ (شکل 3، بالا)، که شامل یک تقویت کننده عملیاتی ADA4097-2 است، ساخت. آمپلی فایر عملیاتی سری ADA4097-2 برای دستیابی به محصول پهنای باند بهره (GBP) 130 کیلوهرتز تنها به 32.5 µA جریان در هر کانال نیاز دارد و نویز پیک به پیک (PP) بین 0.1 هرتز و 10 هرتز 1000 nV با فرکانس Hz 1/f نویز معمولی است.

این نرم افزار همچنین یک مدار مرجع برای مرحله تقویت کننده ایجاد کرد که شامل یک مرجع ولتاژ باندگپ دقیق LTC6655B-2.5 و یک تقویت کننده عملیاتی AD8510 (شکل 3، پایین) است که هر دو از ADI هستند.