Diseñe una interfaz de sistema de detección industrial de alta precisión

Las aplicaciones industriales y de control de procesos recogen datos extensos y precisos de temperatura, presión y deformación para la toma de decisiones previas. El reto para los diseñadores es que estas aplicaciones requieren múltiples canales de alta precisión que puedan mantener una gran exactitud en el dominio de la frecuencia.

Este artículo discute los componentes clave y los requisitos paramétricos de un sistema industrial de detección y conversión de señales preciso y de alto rendimiento. Como el ruido es un factor determinante con respecto a la precisión, la solución final adecuada resuelve los problemas de ruido.

Descripción general del sistema

Un sistema de interfaz de detección industrial de alta precisión de 18 bits debería incluir una estructura de adquisición de datos (DAQ) de múltiples canales, aislada y rentable, que pueda gestionar los niveles de señal industrial. Desde la entrada hasta la salida, el circuito multicanal de alta precisión que se describe comienza con un multiplexor de ocho entradas, configurable para canales de extremo único o diferenciales (Figura 1). Estas entradas del multiplexor reciben varias entradas del sensor para el control de procesos, como las de los sensores ópticos, de temperatura y de presión.

Figura 1: Un circuito multicanal de ocho entradas y de alta precisión para múltiples entradas de sensores comienza con un multiplexor de entrada configurable para canales de extremo único o diferenciales. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

En la Figura 1, un amplificador de instrumentación de ganancia programable (PGIA), denominado "PGA", sigue al multiplexor de entrada con una capacidad de oscilación de voltaje de entrada y de salida similares. Tanto las etapas del multiplexor como las del PGIA son capaces de gestionar entradas de alto voltaje de hasta ±10 voltios.

Ni el voltaje de modo común ni la amplia oscilación de la salida de voltaje del PGIA son consistentes con el rango de entrada de alimentación única del convertidor de analógico a digital (ADC) de 18 bits. Para preparar el rango de voltaje de la señal para el ADC, el sistema necesita un amplificador de embudo. El amplificador de embudo ejecuta tres funciones: un cambio de nivel de señal, conversión de extremo único a diferencial y atenuación a fin de cumplir con los requisitos de entrada del ADC de suministro simple de 18 bits.

Después del ADC de 18 bits, un aislador digital proporciona aislamiento galvánico. Este estilo de aislamiento permite diferentes voltajes de modo común entre cada lado sin interferir con la fidelidad de la señal.

Detalles del circuito

Como se ha descrito hasta ahora, el sistema aislado multicanal DAQ tiene un multiplexor, una etapa PGIA, un conductor de amplificador ADC y un ADC de registro de aproximación sucesiva (SAR) totalmente diferencial y de precisión. El sistema supervisa ocho canales utilizando un solo ADC. Sin embargo, los controladores ADC y el ADC son los principales causantes de ruido (Figura 2).

Figura 2: Muestra el esquema de un sistema aislado multicanal DAQ con un ADC de 18 bits. Los ADC y los controladores del ADC son los principales causantes de ruido. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El nivel de ruido es una especificación que dicta el tipo de componentes que caben en el circuito de esta aplicación.

Selección de los componentes adecuados

En la Figura 2, el multiplexor de entrada es el ADG5207BCPZ-RL7 de Analog Devices, un multiplexor diferencial de 8 canales de alto voltaje, a prueba de enganche, con una capacitancia ultra baja de 3.5 picofaradios (pF) e inyección de carga de 0.35 picoculombios (pC). Esta inyección de carga baja hace que estos interruptores sean ideales para circuitos DAQ de muestreo y retención que requieren tasas bajas de fallos y tiempos de asentamiento rápidos. Se puede configurar el ADG5207 para recibir señales de entrada tanto de extremo único como diferenciales. El dispositivo lógico programable complejo (CPLD) que se muestra en el circuito selecciona el canal activo del ADG5207 utilizando sus pines de dirección.

El PGIA es el AD8251ARMZ-R7 de Analog Devices. Este dispositivo proporciona ganancias seleccionables de 1, 2, 4 y 8. A continuación, el amplificador de embudo totalmente diferencial AD8475ACPZ-R7 de Analog Devices proporciona un desplazamiento de nivel para un voltaje de modo común de tierra de 2.048 voltios, y ajustes de ganancia de 0.4 y 0.8. El AD8475 tiene una baja densidad espectral de ruido de salida de 10 nanovoltios por hertz cuadrático (nV/√Hz). Las ganancias de los amplificadores PGIA y de embudo se combinan para proporcionar señales de entrada a gran escala a los dispositivos analógicos SAR ADC AD4003BCPZ-RL7 de 18 bits (Tabla 1).

Tabla 1: El rango de voltaje de entrada y salida correspondiente a cuatro configuraciones de ganancia para el PGIA AD8251. Las ganancias de los amplificadores PGIA y de embudo AD8475 se combinan para proporcionar señales de entrada a gran escala a los dispositivos analógicos SAR ADC AD4003BCPZ-RL7 de 18 bits. (Fuente de la tabla: Bonnie Baker)

El AD4003BCPZ-RL7 es un SAR ADC de precisión de 18 bits y 2 megamuestras/segundo (MSPS) totalmente diferencial que tiene una relación señal/ruido (SNR) típica de 98 decibelios (dB) para una referencia de 4.096 voltios.

Análisis del ruido del sistema

Debido a su impacto en la precisión, el ruido debe ser considerado seriamente al diseñar los DAQ de precisión de más alta velocidad. El ruido es un fenómeno en el dominio de la frecuencia que afecta tanto a la precisión de CA como a la de CC de la salida digital del ADC. El ruido es un evento aleatorio: es posible que, para una sola conversión, un circuito ruidoso dé un resultado absolutamente correcto, pero que dé un resultado profundamente inexacto con la siguiente conversión. El reto para los diseñadores es determinar las contribuciones aceptables de ruido de todos los dispositivos en el circuito.

El valor cuadrático medio (rms) del ruido es igual a la suma cuadrática de todos los dispositivos del circuito referidos a la entrada del ADC AD4003 y se calcula utilizando la Ecuación 1:

 Ecuación 1

Donde:

V_nADG5207 = rms de la contribución de ruido del multiplexor ADG5207

V_nAD8251 = rms de la contribución de ruido del PGIA AD8251

V_nAD8475 = rms de la contribución de ruido del amplificador embudo AD8475

V_nAD4003 = rms de la contribución de ruido del ADC de 18 bits AD4003

La SNR del rms calculado del sistema utiliza el rango de entrada a escala completa del AD4003, o V_REF, y se calcula utilizando la Ecuación 2:

 Ecuación 2

Ruido del ADC AD4003: El ruido del ADC AD4003 es una función del error de ecualización del convertidor y del ruido térmico interno. El cálculo del voltaje de entrada eficaz del AD4003 utiliza la tensión de entrada a escala completa (V_REF) y la SNR de funcionamiento, según la Ecuación 3:

 Ecuación 3

La especificación de la hoja de datos para la SNR del AD4003 con un V_REF igual a 4.096 voltios es de aproximadamente 98 dB.

Ruido del amplificador embudo AD8475: El rms del ruido de salida del AD8475 es una combinación de la densidad espectral de ruido del amplificador (_AD8475) a 1kilohercio (kHz) y el límite de ancho de banda del circuito del amplificador. El ancho de banda del AD8475 con una ganancia de 0.4 V/V es igual a 150 megahercios (MHz). La frecuencia de esquina de 3 dB del siguiente filtro resistencia-capacitor (RC) es de 6.63 MHz. La combinación del AD8475 y el filtro RC de salida crea un límite de ancho de banda de 6.63 MHz, según la Ecuación 4:

 Ecuación 4

Donde:

_AD8475 = 10 nV/√Hz.

R = 200 ohmios (Ω)

C = 120 pF

BW_RC = 1/(2xp x R x C) ~ 6.63 MHz

Ruido del PGIA AD8251:  El rms de la contribución de ruido del AD8251 es una función de su referencia a la entrada AD8251, ruido puntual de 1 kHz (_AD8251) con unidades de nV/√Hz, su ajuste de ganancia (G_AD8251), la ganancia del AD8475 (G_AD8475), y el ancho de banda del filtro de ruido en la entrada del AD4003 (BW_RC). Se calcula utilizando la Ecuación 5:

 Ecuación 5

El valor de _AD8251 es igual a 40 nV/√Hz para una ganancia de 1 V/V y 18 nV/√Hz para una ganancia de 8 V/V.

Ruido del multiplexor ADG5207: La ecuación de ruido de Johnson-Nyquist proporciona la densidad espectral de ruido del multiplexor y el rms del ruido, Ecuación 6:

 Ecuación 6

Donde:

k_B = constante de Boltzmann = 1.38 x 10^-23

T = temperatura en grados Kelvin

R_ON = multiplexor “como” resistencia (según la hoja de datos del ADG5207)

El uso de esta fórmula (Ecuación 6) es apropiado porque el multiplexor actúa como una resistencia en serie.

El valor de densidad espectral del multiplexor (ϵ_nADG5207) produce el rms de contribución de ruido del ADG5207 usando la Ecuación 7:

 Ecuación 7

Resumen del análisis de ruido

El total de las contribuciones de ruido calculadas para cada componente en la Figura 2 y la SNR resultante para una ganancia acumulada de 3.2 es de 84.7 dB. Los contribuyentes más significativos al ruido total son el PGIA AD8251 y el ADC AD4003 (Tabla 2).

Tabla 2: El rendimiento SNR calculado del sistema multicanal DAQ para una ganancia acumulada de 3.2 es de 84.7 dB. (Fuente de los datos: Analog Devices)

Evaluación y prueba de circuitos

Para evaluar y probar este circuito, los diseñadores pueden utilizar el kit de evaluación de circuitos EVAL-CN0385-FMCZ, que contiene el circuito de la Figura 2 (Figura 3).

Figura 3: Se puede utilizar la placa de evaluación EVAL-CN0385-FMCZ para experimentar con el diseño de la interfaz de DAQ descrita en este artículo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El paquete de soporte de diseño CN-0385 contiene el esquema completo del circuito y el material de soporte del diseño. El kit de evaluación también contiene la placa controladora EVAL-SDP-CH1Z para facilitar la captura de datos (Figura 4).

Figura 4: Pruebe el diseño funcional de la configuración para evaluar la interfaz del DAQ (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los resultados de rendimiento de la placa EVAL-CN0385-FMCZ muestran valores que coinciden con los cálculos de ruido (Tabla 3).

Tabla 3: SNR, ruido y distorsión armónica total (THD) de la tarjeta EVAL-CN0385-FMCZ para una entrada de onda sinusoidal a escala completa de 10 kHz para ganancias acumuladas de 0.4, 0.8, 1.6 y 3.2. (Fuente de los datos: Analog Devices)

Un SYS-2700 de Audio Precision generó la señal en un modo de entrada diferencial. Se muestran los gráficos de la señal de entrada de 10 kHz de transformada rápida de Fourier (FFT) (Figuras 5, 6, 7 y 8).

Figura 5: FFT para entrada de pico a pico de 10 kHz, 20 voltios para ganancia = 0.4 en un canal estático único. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Figura 6: FFT para entrada de pico a pico de 10 kHz, 10 voltios para ganancia = 0.8 en un canal estático único. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Figura 7: FFT para entrada de pico a pico de 10 kHz, 5 voltios para ganancia = 1.6 en un canal estático único. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Figura 8: FFT para entrada de pico a pico de 10 kHz, 2.5 voltios para ganancia = 3.2 en un canal estático único. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Como se muestra en las gráficas, el rendimiento de la cadena de señales ADG5207, AD8251, AD8475 y AD4003 dentro de la tarjeta de evaluación EVAL-CN0385-FMCZ es muy similar al de los cálculos anteriores.

Conclusión

En entornos industriales y de control de procesos, se llevan a cabo extensas actividades de recopilación de datos, incluida la recopilación de datos de precisión de temperatura, presión y deformación. Estas aplicaciones requieren canales multiplexados de alta precisión mientras que se mantiene una alta exactitud con bajo ruido en el dominio de la frecuencia. La interfaz de medición analógica ideal tiene un multiplexor, un PGIA, y un ADC de precisión de 18 bits y 2.0 MSPS. El ADC muestra la señal del canal del multiplexor activo. Este artículo proporciona cálculos precisos y datos de prueba complementarios para un circuito adecuado. Los resultados de las pruebas muestran que el rendimiento real de la cadena de señales de ADG5207, AD8251, AD8475 y AD4003 dentro de la tarjeta de evaluación EVAL-CN0385-FMCZ es muy similar al de los valores calculados.