DAQ (parte 12) – Software di design PCB e sistemi DAQ commerciali

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La progettazione PCB gioca un ruolo fondamentale nei sistemi di acquisizione dati. I software di progettazione diventano, quindi, essenziali per l’ottimizzazione di un sistema elettronico generale.

In quest’ultimo articolo ci concentreremo sugli aspetti tecnici e commerciali dei software di PCB design, per poi concludere con le tecnologie attuali di sistemi di acquisizione dati attraverso una serie di importanti aziende che operano nel settore, mettendo in risalto i loro prodotti di DAQ e le specifiche elettriche relative.

Specifiche di design PCB

Il continuo aumento della velocità di trasferimento dati è di fondamentale importanza nel mondo di oggi, al fine di tenere il passo con le esigenze applicative. Questo aumento è sostanzialmente limitato dalla larghezza di banda del canale di comunicazione. Perdita del canale, diafonia e integrità di segnale sono i fattori importanti che influenzano la larghezza di banda del canale e devono essere pienamente compresi nella progettazione di tali collegamenti ad alta velocità. Inoltre, l’ottimizzazione delle prestazioni del canale richiede un’attenta analisi di livello di sistema con la co-progettazione dei diversi componenti del canale, in modo da avvicinarsi alla capacità massima di un canale.

Fig. 1 – Package TQFP

Il package (Fig. 1) rappresenta la forma propria del chip ed è essenzialmente un trasformatore di spazio tra l’elettronica e la scheda madre (PCB). Esso fornisce i collegamenti necessari per interfacciare correttamente i circuiti del chip al resto del sistema. Gli attributi fisici di un package possono essere suddivisi in tre categorie: il collegamento del chip al package, i collegamenti sul package e il tipo di connessione al PCB.

L’instradamento dei segnali nel package può essere fatto in un modo di impedenza controllata o non controllata. Progetti digitali ad alta velocità richiedono l’uso di impedenza controllata che assomiglia tipicamente a un circuito stampato miniaturizzato con differenti livelli e piani di alimentazione e di massa. Piccole linee di trasmissione vengono utilizzate per instradare i segnali provenienti dal pad sul package. I diversi livelli sono successivamente collegati attraverso vias per il routing del segnale, nonché per l’erogazione di potenza. L’instradamento di impedenza controllata richiede un’attenta progettazione per la massima trasmissione del segnale e l’accoppiamento minimo tra le reti di segnale con una minima induttanza per ridurre il rumore di commutazione.

Software PCB Design

Al termine della progettazione e prototipazione del progetto elettronico, si rende necessario realizzare il circuito stampato, è quindi utilizzare un qualche tipo di software di layout PCB.

Fig. 2 – Esempio di PCB con Cadence Allegro

Tra gli strumenti di layout PCB più popolari sono Cadence Allegro, Mentor Graphics Pads e Altium Designer. Ognuno ha le sue capacità, vantaggi, avvertimenti e limitazioni. Anche se è possibile utilizzare uno qualsiasi di questi tre strumenti, sceglierne uno giusto deve essere prioritario nella progettazione di layout PCB e non deve mai essere ignorato. La maggior parte di essi sono abbastanza costosi e per questo molti progettisti fanno affidamento anche a tool free che non sempre possono soddisfare i requisiti complessivi di PCB.

Alcuni costruttori di PCB commerciali, inoltre, offrono il proprio software online gratuito con ampia varietà di opzioni, oppure versioni a 30 giorni per incentivare un prossimo acquisto o versioni illimitate ma con restrizioni in dimensioni PCB, per esempio, o nel numero di componenti da inserire.

Il pacchetto CAD Eagle offre sia programmi di impaginazione schematici, sia PCB ed è il favorito tra i progettisti di hardware open source. Per questo motivo esistono tante estese librerie di componenti e footprint disponibili per molti dei componenti commerciali. L’azienda offre una versione freeware limitata solo dalle dimensioni del PCB.

Kicad è un altro pacchetto schema/layout PCB open source. Ha un’interfaccia molto avanzata e una buona dose di popolarità.

Cadence Allegro e Altium Designer a confronto

Cadence Allegro (Fig. 2) è uno degli strumenti più diversificati per l’industria, poiché fa conincidere costi contenuti con le esigenze tecnologiche e metodologiche di piccole e grandi imprese. Gli strumenti Cadence sono a volte troppo complicati e criptici da capire. L’interfaccia grafica non è abbastanza intuitiva e facile da usare, con molte funzioni nascoste in profondità all’interno dello strumento. Di seguito alcune delle principali caratteristiche:

• Progettazione integrata di RF, analog e mixed signal
• Gestione della pianificazione di rete, tempi, crosstalk, set di routing layer e vincoli geometrici
• Abilitazione di Route Planning per accelerare il completamento della progettazione
• Dati di progettazione in una varietà di formati per la produzione
• Collaudata tecnologia PCB Router per auto-instradamento dei segnali.

Fig. 3 – Interfaccia Altium Designer

Altium Designer (Fig. 3) è stato creato sulla base di un sistema di progettazione elettronica unificata e utilizza un unico modello di dati che contiene tutte le informazioni di progetto per il prodotto. Progettazione FPGA, layout PCB, simulazione, strumenti di CAM e sviluppo di software embedded sono tutti alloggiati in un unico sistema software.

Il vantaggio principale è il costo, che gli ha consentito di conquistare la fetta più grande del mercato. Lo strumento di Altium dà al progettista PCB un equilibrio quasi perfetto tra l’interfaccia grafica intuitiva e le potenti opzioni che facilitano un maggiore controllo sul layout. Lo strumento schematico all’interno del designer Altium è stato rimesso in sincronia perfetta con lo strumento di layout, che consente una modifica più facile durante il processo di progettazione.

Uno dei suoi programmi di utilità per la creazione di libreria permette anche la generazione di simboli degli imballaggi basati sullo standard IPC-7351. Inoltre, permette al progettista di inserire corpi 3D nel layout importandoli dai modelli: dettagliati disegni 3D del layout possono essere generati una volta che il layout è finalizzato. A differenza di altri strumenti, la generazione dei dati di uscita non è eccessivamente complicata e offre quasi tutte le opzioni disponibili per un PCB. L’utensile CAM viene anche fornito con il pacchetto di progettazione Altium, basato sul CamCASTIC che permette al progettista di visualizzare i dati Gerber.

Fig. 4 – DI-730 Series Data Acquisition Systems

DATAQ Instruments (Fig. 4) è un fornitore di sistemi di acquisizione dati, data logger e prodotti software. Gli strumenti sono disponibili per una vasta gamma di applicazioni speciali e per scopi generali, nonché per qualsiasi metodo di interfaccia e distribuzione dati. I sistemi di acquisizione dati supportano tensione, corrente, termocoppie e qualsiasi combinazione di essi.

Sistemi USB di Measurement Computing (MC) sono disponibili con ingresso e uscita analogici, I/O digitali e contatori/temporizzatori. Dispositivi di misurazione della temperatura includono termocoppia, RTD e termistori. Disponibilità di software e driver per C++, Visual Basic, LabVIEW e DASYLab.

La famiglia Genesis HighSpeed di HBM dispone di condizionatori di segnale per molti tipi di sensori. Molti dei moduli offrono ingressi isolati, anche per gli ingressi ad alta tensione e le frequenze di campionamento possono variare da 20 kS/s per 100 MS/s per canale.

Fig. 5 – KPCI-3110A di Keithley

La combinazione di velocità, risoluzione, alto numero di canali e qualità fanno di Keithley una ulteriore azienda leader del settore di DAQ PCI. La loro multifunzionalità e funzionalità I/O rendono l’attività di raccolta dati molto semplice. KPCI-3110A (Fig. 5) è la soluzione perfetta per le misure esigenti, offrendo una combinazione di velocità e alta risoluzione. KPCI-3110A è dotato di due canali di uscita analogici a 12 bit con una range di uscita di +10V.

Le uscite analogiche possono essere utilizzate in concomitanza con gli ingressi analogici per eseguire stimoli simultanei e possono essere innescate indipendentemente o contemporaneamente con gli ingressi, utilizzando il valore di soglia analogico o l’ingresso di attivazione digitale dedicato.

Maurizio Di Paolo Emilio

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