ריק דאונס, טקסס אינסטרומנטס
כל מבצעי הניתוחים בתחום התעשייתי זיהו את המגמות המאפיינות את המערכות לעבר ניידות, הקטנה “ירוקה” של אנרגיה ועוד חיישנים בציוד הקצה. מגמות אלו מניעות את הדרישה המופיעה בממירים מאנלוגי לספרתי (ADC) ומספרתי לאנלוגי (DAC) למספר רב יותר של ערוצים, למהירויות גבוהות יותר ולביצועים טובים יותר, במקביל לדרישות שלהם לתקציבי הספק נמוכים, לגודל קטן יותר ולעלויות נמוכות יותר.
יצרני ממירי הנתונים מגיבים לדרישות אלו על ידי יצירת ממירי נתונים רבים יותר שיהיו משולבים עם רכיבי מעגלים אחרים. על אף שקיימות ליבות בקרי מיקרו רבות שמוקפות במערך עשיר של התקנים היקפיים, חלק מדרישות הביצועים דוחף את יצירתם של התקני קצה אנלוגיים מיוחדים או של שבבים אנלוגיים “נלווים” אחרים, אשר פועלים ביחד, עם מעבד נפרד.
לדוגמה, חברת טקסס אינסטרומנטס יצאה לשוק לאחרונה עם ADS1298, התקן קצה מלא עבור מערכות אלקטרו–קרדיוגרמה (ECG). במארז קיימים שמונה ממירי ADC של 24 סיביות עם מגברים בעלי הגבר ניתן לתכנות וקבוצה שלמה של מעגלי עזר חשמליים, בתוך מארז BGA או במארז TQFP יחיד. ככל שממירי הנתונים הופכים להיות חלק ממערכת משולבת במארז יחיד, הם נוטים להפוך ליותר ויותר ייחודיים ליישום; דף הנתונים של ADS1298 מתייחס לפונקציות ייחודיות רבות ולמאגר מונחים, שייתכן, שאותם יצרנים הנמצאים מחוץ למרחב של ציוד אלקטרו–קרדיוגרמה יכולים שלא להכיר אותו כלל. האם פירוש הדבר שאתה יכול להשתמש ברכיב ADS1298 רק ליישומים של אלקטרו–קרדיוגרמה?
בחינת ההתקנים המשולבים האלו, והדרך שבה הם יכולים לתרום למערכת שלך, כרוכה בפרישת התיאור שלהם ובעריכת בדיקה מעמיקה של הדרך שבה הם מממשים את מה שנקרא שרשרת האותות, שדוגמתה מודגמת באיור 1.
תרשים הבלוקים המופיע באיור 1 יכול לייצג כמעט כל מערכת המיועדת לעיבוד אותות. בין אם תהיה זו מערכת למדידה או מערכת להרכשת נתונים, השרשרת מתחילה בחיישן, ממשיכה דרך מעגל שיפור אותות, אל יחידת ADCr ומשם מסתיימת במעבד. אם זו מערכת בקרה או מערכת לעיבוד אודיו, או אפילו מערכת של רדיו מוגדר בתוכנה, סביר להניח שיש פלט כלשהו מהמעבד שחייב לחזור אל תוך אות אנלוגי: ניתן לראות אותו בחלק הימני של תרשים הבלוקים.
בלי קשר לסוג של המערכת שעליך לתכנן, תהיה זו גישה טובה להחליט מהם הרכיבים שמממשים את שרשרת האותות שלך. בדרך כלל, המעבד יהיה הרכיב הראשון שייבחר. בחירה זו ברוב המקרים נעשית בהתבסס על ההיכרות שיש לך עם ההתקן (בהיותו כזה ששימש בארגון שלך עבור תכנונים קודמים) או עם קבוצה מסוימת של התקנים היקפיים ויכולות שהם מציעים. לכן, אתה מתחיל במרכז התרשים המופיע באיור 1, ומשם עושה את דרכך כלפי חוץ.
מכאן אפשר להסיק שממיר הנתונים יהיה הנושא הנבחר הבא, והמקום ההגיוני להתחיל יהיה המעגל האנלוגי. נניח שאנו מתכננים מערכת מדידה ולכן נעסוק אך ורק ביחידת ADC. ההחלטות הגדולות כאן יהיו איזו רזולוציה נדרשת לך עבור המדידות שלך ובאיזו מהירות אתה נדרש לבצע את המדידות האלו. כמובן, קיימים עוד כמה שיקולים אחרים שיש לקחת בחשבון, אך שני העיקריים הם מהירות ורזולוציה. שים לב שטרם נאמר דבר לגבי מספר הסיביות שיש לממיר הנתונים, אלא בינתיים אנו עוסקים רק בכמות המידע, במונחים של פרמטרים פיסיקליים, שלה אתה זקוק כדי לפענח את נושא המדידה. בשלב זה, מוטב יהיה לומר שמערכת המדידה שלך זקוקה לפענח 250ppm לפחות, במקום להחליט על ממיר של 12 סיביות.
אם באמת היינו עובדים כלפי חוץ, שיפור האותות היה הבא בתור, אך המטרה שלו היא לקחת כל אות שהחיישן מספק ולהתאים אותו עד לכל טווח הכניסה של ממיר הנתונים. לכן, ראשית עלינו להבין איזה סוג אות מספק לנו החיישן. נניח שהחיישן יכול להוציא 2 וולט במצב המרבי שלו, מכאן שתצפה למדוד בחיישן 0.5 מילי–וולט לפי החישוב : 2*250ppm = 0.5mV
כעת, תוכל לשקול כיצד למדוד את השינוי הזה של 0.5 מילי–וולט. אחת הדרכים לגשת למדידה היא להשתמש במגבר כדי להגביר את האות, עד כדי שיתאים לטווח המלא של הממיר – נניח שהוא 5 וולט. עם הגבר של 2.5 הערך של 0.5 מילי–וולט בחיישן הופך להיות 1.25 מילי–וולט ולכן הממיר צריך לפענח 1.25 מילי–וולט מתוך 5 וולט, או 1 מתוך 4000. לכן ממיר של 12 סיביות יהיה מתאים כאן. גישה אחרת יכולה להיות בעזרת שימוש בממיר עם רזולוציה גבוהה יותר שיכול למדוד באופן ישיר 0.5 מילי–וולט ואינו צריך כלל את שיפור האותות. הבחירה באחת הגישות תלויה בכמות ההספק, בגודל ובעלות שניתן יהיה לחסוך על ידי ביטול הצורך במגבר לעומת השימוש בממיר עם רזולוציה גבוהה יותר. ייתכן גם שהעכבה (אימפדאנס) של החיישן היא כזו שהוא לא יכול להתחבר ישירות לממיר, ולכן ייתכן שביטול המגבר לא יוכל לבוא כלל בחשבון.
ההבנה של שרשרת האותות במערכת ושל מה נדרש מכל בלוק יכולה לעזור לך להחליט אם אחד הממירים בעלי האינטגרציה הגבוהה אכן יוכל לעזור לך בתכנון. אן ספק שתוכל להשתמש ברכיב ADS1298 עבור מערכות אחרות, מלבד מערכת אלקטרו–קרדיוגרמה. אבל היתרונות שהוא יכול להעניק הופכים להיות אטרקטיביים אם לשרשרת האותות שלך נדרשים כל הבלוקים שבהתקן.
במאמרים הבאים ייבחנו היסודות של הרכשה נאמנה של אותות והצגתם במישור הספרתי. לרבים מבין הכללים המקובלים או העצות הנפוצות, שאליהם אנו מתייחסים כמובנים מאליהם, יש צורך בהקשר רחב יותר כדי שאפשר יהיה להבין מדוע נוצרו ועל מנת שניתן יהיה להבין כיצד אפשר ליישם אותם בהינתן ההקשר שנוצר בעקבות דרישות המערכת שלך.
