Utilizar el aislamiento para preservar la precisión y mejorar el rendimiento en la adquisición de datos.

A medida que la inteligencia migra a los extremos para resolver problemas novedosos y complejos, resulta cada vez más importante garantizar la fiabilidad, precisión y rendimiento de la adquisición de datos (DAQ). Esto requiere que los diseñadores proporcionen una cadena de señal de precisión aislada entre la señal adquirida y el procesador del sistema.

Garantizar el aislamiento en una cadena de medición de señal analógica de precisión es una tarea difícil. Es necesario prestar mucha atención a los detalles para mantener el rendimiento de la cadena de señales a pesar de los factores que las alteran y de la inevitable deriva térmica. Para muchos diseñadores, puede ser útil comprender mejor los aspectos implicados antes de seleccionar y utilizar la tecnología de aislamiento adecuada.

En este artículo se analizan los diversos aspectos relacionados con el desarrollo y la optimización de un sistema DAQ aislado de gama alta, donde la designación "gama alta" engloba atributos de precisión, exactitud, integridad de la señal y coherencia. A continuación, presenta las soluciones de cadena de señales DAQ de Analog Devices y muestra cómo pueden utilizarse para formar un sistema de este tipo.

Optimización de cada bloque funcional

Un sistema DAQ típico consta de una serie de bloques funcionales que permiten el paso de la señal del sistema físico a través de un sensor. De ahí, pasa a un front-end analógico (AFE) para el acondicionamiento de señales, a un convertidor de analógico a digital (ADC) para la digitalización y, a continuación, a un lector o controlador basado en computadora (que puede ser desde un microcontrolador hasta un sistema mucho mayor (Figura 1).

Figura 1: Un sistema DAQ consiste en una cadena de señales lineal y bien definida desde el sistema físico medido y el sensor hasta el procesador host. (Fuente de la imagen: Bill Schweber)

La precisión y la exactitud de la DAQ comienzan con la selección de los componentes de acondicionamiento de señales front-end, en particular el preamplificador del transductor. El rendimiento de bajo ruido es uno de los muchos factores críticos para esta función, ya que el ruido interno es difícil de reducir posteriormente en el diseño y se amplificará junto con la señal deseada. Aquí se establece una relación señal/ruido (SNR) de referencia que, inevitablemente, se degradará aún más a medida que la señal pase por etapas adicionales.

Por este motivo, los AFE suelen utilizar un amplificador operacional (op amp) de una sola función optimizado para el ruido. Una buena elección para el preamplificador front-end es el ADA4627-1BRZ-R7 de Analog Devices un amplificador operacional JFET (efecto de campo de unión) de 30 V (±15 V de doble alimentación), alta velocidad, bajo ruido y baja corriente de polarización. Entre sus numerosas características optimizadas para sensores, destaca un voltaje de desviación bajo de 200 µV (máximo), una desviación de desviación de 1 μV/°C (típica) y una corriente de polarización de entrada de 5 picoamperios (pA) (máximo). La especificación de ruido de voltaje crítico es de 6,1 nV por raíz de hercio (nV/√Hz) a 1 kilohercio (kHz) (Figura 2).

Figura 2: El amplificador operacional JFET ADA4627 presenta un ruido de voltaje de 6,1 nV/√Hz (1 kHz). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El aislamiento aporta múltiples beneficios

Una vez amplificada y digitalizada la señal, el siguiente paso es establecer un aislamiento galvánico entre la señal y la sección digital del sistema y el procesador asociado. Hay tres razones principales para dar este paso:

1. Reducción de ruidos e interferencias: El aislamiento galvánico puede eliminar las variaciones de tensión en modo común, los bucles de masa y las interferencias electromagnéticas (EMI). Además, evita que fuentes de ruido externas corrompan la señal adquirida, garantizando mediciones más limpias y precisas.
2. Eliminación de bucles de masa: Los bucles de tierra pueden introducir diferenciales de voltaje que distorsionan la señal medida. El aislamiento rompe la trayectoria del bucle de masa, eliminando así las interferencias causadas por la variación de los potenciales de masa y mejorando la precisión de las mediciones.
3. Seguridad y protección: Las barreras de aislamiento proporcionan seguridad eléctrica al evitar que picos de tensión, transitorios o sobretensiones peligrosos alcancen componentes de medición sensibles. Esto protege los circuitos de medición y los dispositivos conectados, garantizando un funcionamiento seguro y fiable. Además, estas barreras eliminan el riesgo eléctrico para los usuarios si el sensor de nivel bajo toca aunque sea brevemente una línea de CA o de alta tensión.

Existen varias técnicas para aislar señales digitales basadas en principios magnéticos, ópticos, capacitivos e incluso de radiofrecuencia. Analog Devices ofrece una familia de soluciones de alto rendimiento, incluido el aislador digital de cinco canales ADUM152N1BRZ-RL7, basado en su tecnología iCoupler patentada (Figura 3).

Figura 3: El aislador digital de cinco canales ADuM152N utiliza una implementación de acoplamiento magnético patentada para lograr un alto rendimiento. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Estos aisladores combinan circuitos CMOS de alta velocidad y tecnología de transformadores monolíticos con núcleo de aire. Para garantizar un rendimiento acorde con las necesidades de los enlaces digitales de alta velocidad, el retardo de propagación máximo es de 13 nanosegundos (ns) con una distorsión del ancho de pulso inferior a 4,5 ns a 5 V, y la coincidencia canal a canal del retardo de propagación es ajustada a 4,0 ns (máximo). Existe una versión similar de dos canales, el ADUM120N1BRZ-RL7, que permite adaptar el número total de canales aislados a la anchura del bus.

Estos aisladores están optimizados para un rendimiento de alta velocidad con una velocidad de datos garantizada de 150 megabits por segundo (Mbits/s). Ofrecen una alta inmunidad transitoria de modo común (CMTI) de 100 kV por microsegundo (kV/μs), un voltaje nominal de 3 kV cuadrático medio (rms) y cumplen todas las normativas aplicables.

El aislamiento de la señal es sólo una parte del aislamiento global. Todos los carriles de alimentación CC del sistema DAQ también deben estar aislados. Para ello se suele utilizar un transformador como elemento aislante.

Si la fuente de alimentación primaria ya es de CA, se hace pasar por el transformador y, a continuación, se rectifica y regula; si la fuente de alimentación es de CC, primero hay que cortarla a una forma de onda similar a la CA. Esto se simplifica enormemente utilizando componentes como el LT3999, un controlador CC/CC de bajo ruido, 1 amperio (A) y 50 kHz a 1 megahercio (MHz).

Un sistema DAQ completo de alto rendimiento requiere componentes periféricos y de núcleo adicionales. Su diseño y disposición deben garantizar la precisión de las mediciones y la integridad de los datos. Además de los amplificadores y las barreras de aislamiento, una cadena de señales de precisión suele incluir elementos de filtrado, un ADC de alta resolución e interruptores. Estos componentes se combinan para eliminar el ruido, minimizar las interferencias y proporcionar una representación precisa de la señal.

En resumen

Un ejemplo de cadena de señal aislada que utiliza estos componentes clave es la ADSKPMB10-EV-FMCZ, una plataforma de precisión que implementa un sistema DAQ de un solo canal, totalmente aislado y de baja latencia (Figura 4). Esta solución combina un amplificador de instrumentación de ganancia programable (PGIA) para el acondicionamiento de señales con el fin de adaptarse a las sensibilidades de las distintas interfaces de sensores con aislamiento digital y de potencia dentro de una placa compacta.

Figura 4: El ADKSPMB10-EV-FMCZ es una plataforma de precisión que implementa un sistema DAQ de un solo canal, totalmente aislado y de baja latencia. Una placa intercaladora PMOD-a-FMC (bloque central) proporciona aislamiento y otras funciones. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para la evaluación, se ha configurado como una solución multiplaca formada por el ADSKPMB10-EV-FMCZ en un factor de forma PMOD (Figura 5) junto con la placa de interfaz de la plataforma de demostración del sistema (SDP) EVAL-SDP-CH1Z. Entre estas dos placas hay una placa intercaladora PMOD-to-FMC totalmente aislada.

Figura 5: El ADSKPMB10-EV-FMCZ (izquierda) se conecta a la placa de interfaz SDP (no mostrada) a través de la placa intercaladora PMOD-to-FMC (derecha). La zona de división vertical de la placa intercalada muestra el lugar donde se aplica la barrera de aislamiento. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

ADSKPMB10-EV-FMCZ ofrece PGIA discreto construido con el amplificador operacional ADA4627-1. El PGIA tiene la alta impedancia de entrada necesaria para soportar la interconexión directa con una gran variedad de sensores. El módulo también incluye una red de precisión de cuatro resistencias emparejadas para el ajuste de la ganancia, un multiplexor de cuatro canales y un controlador ADC de amplificación totalmente diferencial para el ADAQ4003. El ADAQ4003 es un subsistema ADC y DAQ de 18 bits y 2 megamuestras por segundo (MSPS) implementado como un μModule.

Este módulo es más que un simple ADC de alta resolución. El ADAQ4003 incorpora múltiples técnicas de reducción de ruido para permitir la captura de señales de alta fidelidad. Por ejemplo, se coloca un filtro de resistencia/condensador (RC) unipolar de paso bajo entre la salida del controlador ADC y las entradas ADC dentro del μModule para eliminar el ruido de alta frecuencia y reducir los "contragolpes" de carga de la entrada del ADC interno.

Además, la disposición del μModule garantiza que las rutas analógica y digital estén separadas para evitar cruces y minimizar el ruido radiado.

La placa intercaladora PMOD-to-FMC totalmente aislada incluye el controlador CC/CC LT3999, los aisladores digitales de cinco y dos canales, un Reguladores de caída baja (LDO) de bajo ruido y un LDO de ruido ultrabajo. La placa intercaladora funciona como puente y se conecta a la placa de interfaz SDP.

La placa de interfaz SDP realiza el procesamiento posterior a la adquisición, la gestión y la conectividad. Esta placa tiene un conector FMC de 160 pines, una fuente de alimentación de 12 V_CC, que se regula y divide para las otras placas, un procesador Blackfin con seguridad habilitada por hardware para la protección de código y contenido, un puerto USB y una FPGA Spartan-6.

La prueba radica en el rendimiento

Evaluar el rendimiento de un sistema DAQ de precisión no es un proceso trivial, ya que la instrumentación, la disposición de las pruebas y las métricas son fundamentales. Aunque hay muchos parámetros dinámicos relacionados con el rendimiento de los sistemas DAQ, los más reveladores son el rango dinámico, la relación señal/ruido (SNR) y la distorsión armónica total (THD).

El rango dinámico es el intervalo entre el ruido de fondo de un dispositivo y su nivel de salida máximo especificado.

El rango dinámico típico de este diseño es impresionante: 93 decibelios (dB) en el ajuste de ganancia más alto y 100 dB en el más bajo (Figura 6). El aumento de la relación de sobremuestreo a un factor de 1024× mejora aún más la medición, alcanzando un máximo de 123 dB y 130 dB, respectivamente.

Figura 6: El rango dinámico de aproximadamente 100 dB del circuito completo y la cadena de señal, en función de la ganancia y otros ajustes, indica un sistema DAQ de alto rendimiento. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La SNR es la relación entre la amplitud eficaz de la señal y el valor medio de la suma cuadrática (RSS) de todos los demás componentes espectrales, excluidos los armónicos y la CC. La THD es la relación entre el valor eficaz de la señal fundamental y el valor medio del RSS de sus armónicos.

La SNR y la THD de este diseño son claramente de alto rendimiento, ya que la cadena de señal alcanza una SNR máxima de 98 dB (Figura 7 (izquierda)) y una THD de -118 dB (Figura 7 (derecha)), en función de los ajustes de ganancia.

Imagen 7: Junto con el rango dinámico, la elevada SNR (izquierda) y la baja THD (derecha) proporcionan pruebas tangibles de un rendimiento DAQ superior centrado en la analógica.(Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión:

Diseñar e implementar una cadena de señales de precisión aislada que preserve la precisión, minimice el ruido y las interferencias, y garantice la integridad de los datos es una tarea de diseño e implementación significativa. Afortunadamente, puede lograrse mediante el uso juicioso de amplificación de precisión, técnicas de aislamiento, ADC y módulos de alta resolución, y gestión de potencia de bajo ruido para permitir mediciones precisas, incluso en entornos eléctricamente difíciles. Esto es posible gracias al uso de componentes avanzados de Analog Devices, desde amplificadores operacionales básicos hasta dispositivos de aislamiento avanzados, y con el apoyo de las funciones periféricas necesarias, junto con hojas de datos detalladas y directrices de aplicación.