Cómo adaptar a la medida los componentes analógicos del bucle de control digital

La aceleración del despliegue de sistemas eléctricos y electrónicos para móviles, automoción e Internet de las cosas (IoT), combinada con el estrechamiento de los plazos de comercialización, ha llevado a la necesidad de pruebas más rápidas y de menor costo de los CI que los soportan.

Para alcanzar estos objetivos se necesitan plataformas de pruebas de CI automatizadas con mayor flexibilidad y modularidad, así como un menor número de componentes para ahorrar costos y espacio.

Para cumplir estos requisitos, los diseñadores están pasando de los controladores analógicos clásicos a lazos de control digitales fácilmente programables para lograr la estabilidad del bucle. Aunque el controlador digital elimina resistencias, capacitores e interruptores, la resolución y la precisión del convertidor de analógico a digital (ADC) y del convertidor de digital a analógico (DAC) influyen enormemente en la precisión general de la arquitectura del bucle de control digital.

Este artículo analiza brevemente las ventajas de un bucle de control digital. A continuación, se analizan los problemas de implementación, como las fuentes de error en la temporización y el ruido del convertidor, y su gestión prestando especial atención a la tasa de producción y la relación señal/ruido (SNR) de un ADC, así como al tiempo de estabilización y las especificaciones de densidad espectral de ruido del DAC.

A continuación, presenta el AD4630-24 de Analog Devices, un ADC con registro de aproximaciones sucesivas (SAR) de 24 bits, y el DAC con salida de voltaje AD5791 de Analog Devices. Estos dos dispositivos, combinados, pueden constituir la base de un controlador digital muy preciso y flexible para mediciones instrumentales de precisión.

Bucles de control digital

En los sistemas de ingeniería, los controladores garantizan un comportamiento transitorio y estacionario satisfactorio. La implementación de un controlador analógico tiene entradas y salidas analógicas donde las señales existen a lo largo de un intervalo de tiempo continuo, con valores en un rango de amplitud continua. Un sensor mide la variable controlada y compara su comportamiento con una señal de referencia. La acción de control de TEST utiliza una señal de error, que es la diferencia entre los valores de referencia y los reales (figura 1).

Figura 1: Un controlador de motor de sistema analógico utiliza varios amplificadores (U1-U5) y una colección de valores predeterminados de resistencias y condensadores. (Fuente de la imagen: Quora)

Intuitivamente, los reguladores con salida analógica continua del sistema parecerían superiores a los reguladores digitales con sus valores de salida muestreados (Figura 2).

Figura 2: Sistema de medición que utiliza una configuración de controlador digital con un DAC, dos ADC, amplificadores analógicos e interruptores. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

La lógica apuntaría a las variables de control o salidas en un controlador analógico que cambian continuamente para lograr un mejor control que las mediciones que cambian periódicamente en las estructuras digitales.

Esta deducción es válida. Suponiendo que todos los demás factores de control digital y analógico sean idénticos, el control analógico es superior al digital. Entonces, ¿por qué cambiar el mando clásico de analógico a digital? Las cinco razones son la precisión, los errores de aplicación, la flexibilidad, la rapidez y el costo.

Precisión: La representación digital de las señales analógicas se realiza en términos de ceros y unos, utilizándose normalmente hasta 32 bits para representar un único valor analógico (Figura 2). Estas conversiones crean un pequeño error de cuantificación digital que hay que corregir. Las señales analógicas, en cambio, tienen derivas de la fuente de alimentación y ruido externo que degradan la señal analógica. Estas derivas analógicas relacionadas con la temperatura y el tiempo son difíciles y caras de controlar, mientras que los efectos del envejecimiento y la temperatura en los controladores digitales son insignificantes.

Errores de implementación: Los errores de implementación son insignificantes en el controlador digital. Esto se debe a que el procesamiento digital de las señales de control utiliza valores numéricos almacenados para las funciones de suma y multiplicación, en lugar de componentes analógicos con sus errores de deriva térmica y la poco fiable precisión de resistencias/resistores, capacitores e inductores. Además, los ajustes de constantes de tiempo de un controlador digital se modifican fácilmente en el software, mientras que un controlador analógico tiene un número fijo de constantes de tiempo disponibles. Los cambios del controlador digital pueden realizarse sobre la marcha, lo que permite al instrumento adaptarse a diversas condiciones de carga y mejorar la eficacia general de las pruebas.

Flexibilidad: Los controladores analógicos presentan dificultades de flexibilidad. Una vez finalizado el diseño del hardware, las modificaciones de la placa de PC llevan mucho tiempo y son costosas. Con un controlador digital, las modificaciones son fáciles de implementar, hasta la sustitución total del código. Además, no hay restricciones en la forma o estructura del controlador digital, y las estructuras de controlador complejas que implican opciones aritméticas adicionales son fácilmente realizables.

Velocidad: El rendimiento de las computadoras sigue aumentando exponencialmente. Este aumento permite muestrear y gestionar señales a velocidades muy altas, y el intervalo entre muestras sigue siendo cada vez menor. El rendimiento de un controlador digital moderno es equivalente al de un sistema de control analógico continuo.

Costo: Gracias a los avances en la fabricación de semiconductores, el costo de los CI sigue bajando, lo que hace que los controladores digitales sean más económicos, incluso para aplicaciones pequeñas y de bajo costo.

Retos de implementación analógica para controladores digitales

El ADC y el DAC se encuentran en el límite de los dominios analógico y digital, ambos con características eléctricas diversas. El truco está en descubrir las especificaciones complementarias entre los dos dispositivos para que puedan coexistir en el mismo sistema. Desde el punto de vista de la tasa de producción del sistema, es fundamental determinar las características de velocidad y ruido de la transferencia global.

Las estimaciones de temporización ADC y DAC

Suele haber una definición clara de la tasa de producción del ADC en megamuestras por segundo (MSPS) o kilo muestras por segundo (kSPS). El tiempo de producción en Hertz es la inversa de la tasa de producción en segundos. La tasa de producción es el tiempo necesario para que el convertidor tome muestras, adquiera, digitalice y prepare la conversión posterior. Este tiempo es también el tiempo mínimo de conversión en una aplicación de conversión continua. Las unidades de especificación definen la velocidad de conversión de una palabra de salida completa. Por ejemplo, si el ADC tiene un pin de salida digital en serie y el convertidor tiene 24 bits, la conversión completa de 24 bits de la entrada analógica se transmite antes del inicio de otra conversión (Figura 3).

Figura 3: El diagrama de temporización del ADC ilustra el número de códigos digitales que acepta el convertidor. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Un ADC con una especificación de 2 MSPS emite una palabra completa cada 500 nanosegundos (ns). Desgraciadamente, esta única muestra de conversión no ofrece una imagen completa de una señal de entrada analógica. Según el Teorema de Nyquist, el ADC debe producir un mínimo de dos muestras para permitir la generación de la señal de entrada analógica. Como mínimo, para cumplir el Teorema de Nyquist, este proceso requiere ahora dos veces 500 ns o 1 microsegundo (µs) de tiempo. Se trata de un número mínimo de muestras para crear un esqueleto de la señal analógica. Para recrear digitalmente una señal analógica, son preferibles cuatro u ocho muestras.

Pasando a las especificaciones del DAC, el tiempo de estabilización de la tensión de salida del DAC es el tiempo que tarda el voltaje de salida en estabilizarse a un nivel especificado para un cambio especificado en el voltaje (Figura 4).

Figura 4: Un DAC presenta un error de tiempo de asentamiento que capta el tiempo necesario para alcanzar el valor final. El peor caso de error en el tiempo de estabilización suele producirse cuando la salida se sitúa entre los códigos de entrada 100 000 y 011 111 ... (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Utilizando la figura 4 como ejemplo de DAC, el tiempo de estabilización en el peor de los casos es inferior a 1 µs. La inversa matemática de este valor es igual a 1 MHz, que también es igual a 1 MSPS. Para ajustarse a los criterios de Nyquist, el DAC debe producir dos muestras de salida que requieran dos veces 1 µs de tiempo, o 2 µs, y al igual que con el ADC, cuantas más muestras, mejor.

Ahora, la historia final sobre el Teorema de Nyquist. Según el teorema, la reproducción de una señal requiere un mínimo de dos muestras. En este caso, el teorema solo identifica la frecuencia de la señal. Aquí es donde el teorema necesita la aplicación del sentido común. Las muestras de mayor tamaño tardan más en recogerse, pero producen una reconstrucción de la señal más fiable.

Las estimaciones de ruido de frecuencia del ADC y el DAC

La definición de ruido requiere conocer la resolución real del convertidor y el ruido cuadrático medio (rms). La afirmación de resolución del convertidor, como 24 bits, 20 bits o 1 ppm, describe el número de salidas o entradas ADC o DAC. Por ejemplo, un ADC de 24 bits genera veinticuatro códigos de salida por conversión, y un DAC de 20 bits recoge veinte valores de entrada digital para una conversión. Sin embargo, con estos valores, no se define la precisión de frecuencia del convertidor.

La definición de la precisión de un convertidor se basa en especificaciones de ruido como la SNR o el ruido eficaz. Una especificación ADC para el ruido en el rango de frecuencia de salida es un valor SNR típico en decibelios (dB). La SNR se calcula mediante la ecuación 1:

Ecuación 1

La hoja de datos del ADC o DAC define el rango de salida del dispositivo. El ruido es la suma cuadrática acumulada (RSS) en toda la banda de frecuencia del convertidor.

La resolución rms se calcula mediante la ecuación 2:

Ecuación 2

Para un ADC con una SNR de 105.7 dB, la resolución rms es de 17.6 bits, lo que significa que el convertidor puede manejar la precisión de forma fiable hasta este nivel. La especificación de ruido del DAC suele ser un valor de densidad espectral de ruido, lo que facilita la conversión rápida de la resolución rms real del DAC. El ruido de salida del DAC se calcula mediante la ecuación 3:

Ecuación 3

Por ejemplo, si un DAC de 20 bits tiene una densidad espectral de ruido de 7.5 nanovoltios/√Hz (nV/√Hz) y un ancho de banda de 500 kilohercios (kHz), el _DACNoise equivale a 5.3 µV (rms). A partir de este valor, la resolución eficaz del DAC con un rango de salida de 5 voltios es igual a 19.8 bits.

Controlador digital e instrumentación de precisión

Un ejemplo de sistema de pruebas de dispositivos controladores digitales para circuitos de pruebas móviles, de automoción e IoT tiene nueve dispositivos más una resistencia/resistor discreto (Figura 5). Los dispositivos de este circuito son un microprocesador, un ADC, un DAC, un controlador amplificador, un amplificador de instrumentación de ganancia ajustable y un interruptor SPDT (Polo único, posición doble) ADG1236 de Analog Devices. El microprocesador gestiona las interfaces digitales y los datos entre el ADC y el DAC, como el AD4630-24 y el AD5791 de Analog Devices, respectivamente.

Figura 5: Un controlador digital utiliza un microprocesador para gestionar los datos que entran y salen del ADC y el DAC. El DAC requiere un amplificador controlador de salida ganancia, y el ADC requiere un sistema de amplificación para atenuar la señal. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El AD4630-24 es un ADC de no linealidad integral (INL) de 2 MSPS y 24 bits ±0.9 ppm con una SNR de 105.7 dB, que produce 17.6 bits (rms). Con una velocidad de conversión de 2 MSPS, este ADC requiere un mínimo de cuatro muestras de salida para crear señales analógicas. El Error de no linealidad integral (INL) representa la precisión de CC del convertidor.

El AD5791 es un DAC de densidad espectral de 20 bits ±1 LSB, INL 1 µs de tiempo de establecimiento 7.5 nV/√Hz, que crea en última instancia 19.8 bits (rms). Este DAC, a una velocidad de 1 MSPS, necesita 4 µs para generar señales analógicas con precisión.

Los convertidores de este sistema también requieren interfaces de amplificador operacional (op amp) para gestionar el accionamiento de salida y la ganancia analógica. En la figura 5, el AD8675 de Analog Devices es un amplificador operacional de salida de carril a carril de 10 MHz y 2.8 nV/√Hz. El ruido de este amplificador reduce los bits del sistema DAC a 19.1 (rms). Sin embargo, el ancho de banda del amplificador de 10 MHz supera el ancho de banda del DAC.

El amplificador de instrumentación de ganancia programable totalmente diferencial LTC6373 de Analog Devices proporciona ganancia y un cierto grado de aislamiento. Si la etapa DAC implementa una ganancia de 4 voltios por voltio (V/V), una de las opciones de ganancia del LTC6373 es 0.25 V/V, que devuelve la señal al valor original. La flexibilidad de los niveles de ganancia digital del LTC6373 contribuye a las características sobre la marcha del controlador digital.

Conclusión:

La presión del tiempo de comercialización y el costo de dar conforme a los requisitos de diseño en rápida evolución de los sistemas de pruebas electrónicas móviles, de automoción y de IoT han provocado un cambio de los controladores analógicos clásicos a los bucles de control digitales. Estos bucles proporcionan una mayor precisión y flexibilidad y un menor costo, pero requieren una cuidadosa atención a la elección del ADC y el DAC.

Como se ha demostrado, combinando el ADC SAR de 24 bits AD4630-24 de Analog Devices con el DAC de salida de voltaje de 20 bits AD5791 de Analog Devices, es posible crear un controlador digital muy preciso y flexible para mediciones de instrumentación de precisión.