La simulazione della catena di segnali di acquisizione dati semplifica la selezione e il collaudo dei componenti

Un tempo, progettare un sistema di acquisizione dati significava identificare la giusta combinazione di componenti in una miriade di schede tecniche e risolvere i problemi una volta assemblati i prototipi. Ora i progettisti possono risparmiare tempo ed evitare gli insuccessi grazie a strumenti di progettazione digitale che, con la semplice tecnica drag and drop, introducono i modelli di componenti come sensori, blocchi di condizionamento del segnale analogico, convertitori analogico/digitali (ADC) e filtri digitali in una catena di segnali virtuale. Il software simula l'uscita della catena virtuale, consentendo al progettista di vedere come i componenti prescelti influiscano su risultati quali il rapporto segnale/rumore (SNR), l'errore di guadagno e di offset e la potenza.

La suite di progettazione digitale Precision Studio di Analog Devices, Inc. (ADI) comprende Signal Chain Designer, un modulo che aiuta i progettisti a simulare i sistemi di acquisizione dati prima di realizzarli. In Signal Chain Designer, l'utente sceglie un sensore, imposta i parametri del modello e inserisce i blocchi circuitali che rappresentano i componenti della catena di segnali (Figura 1).

Figura 1: Signal Chain Designer, parte di Precision Studio di ADI, consente ai progettisti di scegliere un sensore, quindi di trascinare e rilasciare blocchi circuitali nella catena per simulare i componenti di acquisizione dati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Per diventare un dato affidabile, il segnale del sensore deve passare attraverso diversi stadi lungo il percorso, ove ogni stadio è costituito da uno o più componenti elettronici o di circuito integrato (CI) che preparano il segnale per lo stadio successivo. Gli stadi più comuni amplificano il segnale analogico, filtrano il segnale analogico, convertono il segnale analogico in digitale e filtrano il segnale digitale.

Stadio di amplificazione del segnale analogico

I segnali analogici generati dai sensori spesso non corrispondono agli ingressi ideali del sistema di acquisizione dati. Lo stadio di amplificazione del segnale analogico utilizza amplificatori operazionali, amplificatori totalmente differenziali e riferimenti di tensione, oltre a componenti passivi come resistori, condensatori e induttori, per convertire il segnale del sensore in una forma efficiente per il sistema di acquisizione dati.

In Signal Chain Designer, per ottenere l'ingresso di tensione corretto l'utente specifica i tipi di ingresso e di uscita dello stadio di amplificazione analogico, il guadagno richiesto e la traslazione di livello richiesta. Il software crea quindi un circuito che soddisfa i parametri specificati utilizzando i prodotti di ADI e genera uno schema.

Ad esempio, per il sensore utilizzato nella Figura 1 con impedenza di 1 kΩ a 1 kHz e capacità di 100 pF, l'utente può specificare un guadagno di 2 V/V e una traslazione di livello di 2,5 V (Figura 2).

Figura 2: L'utente di Signal Chain Designer specifica la configurazione, il guadagno, la traslazione di livello e altri parametri dello stadio di amplificazione del segnale analogico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Sulla base di questi parametri, il software crea uno schema circuitale per lo stadio di amplificazione del segnale analogico (Figura 3, in alto), contenente un amplificatore operazionale ADA4097-2. Gli amplificatori operazionali della famiglia ADA4097-2 richiedono solo 32,5 µA per canale per ottenere un prodotto guadagno-larghezza di banda (GBP) di 130 kHz per il guadagno di tensione di grandi segnali, con un rumore picco-picco (_P-P) di 1.000 nV tra 0,1 Hz e 10 Hz e un tipico angolo di rumore di 1/f a 6 Hz.

Il software sviluppa anche un circuito di riferimento per lo stadio amplificatore con un riferimento di tensione a bandgap di precisione LTC6655B-2.5 e un amplificatore operazionale AD8510 (Figura 3, in basso), entrambi prodotti di ADI.

Figura 3: Schema del circuito dello stadio di amplificazione del segnale analogico creato con Signal Chain Designer, basato sulle specifiche dell'utente e comprendente i componenti elettronici appropriati di ADI. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

LTC6655B-2.5 ha un rumore di 625 nV_P-P per 0,25 ppm_P-P tra 0,1 Hz e 10 Hz, un'accuratezza massima di ±0,025% e una bassa deriva di tensione di 2 ppm/°C max, che garantiscono la generazione di una tensione di segnale stabile indipendentemente dalle variazioni della tensione di ingresso e del carico. L'amplificatore operazionale con transistor di campo (JFET) a giunzione AD8510 ha tipicamente un rumore spettrale di 8 nV a 1 kHz, richiede solo 25 pA di corrente di polarizzazione in ingresso e si assesta su una banda di errore dello 0,1% entro 500 ns.

Signal Chain Designer consente inoltre all'utente di specificare il condizionamento dei segnali in questo stadio. L'utente può configurare amplificatori totalmente differenziali, amplificatori strumentali o amplificatori di rilevamento della corrente.

Stadio di filtraggio del segnale analogico

Il segnale analogico amplificato deve poi essere filtrato per eliminare il rumore e la distorsione introdotti dall'amplificazione. I filtri possono utilizzare componenti passivi come resistori e condensatori per creare filtri del primo ordine con roll-off moderato di -20 dB/decade dopo la frequenza di taglio. I filtri di secondo ordine e di ordine superiore sono solitamente filtri attivi che utilizzano uno o più amplificatori operazionali per roll-off più estremi.

La configurazione del filtro determina se attenua le frequenze al di sopra della frequenza centrale, f₀ (passa-basso), al di sotto di f₀ (passa-alto), al di fuori di due frequenze di taglio (passa banda) o al di fuori di una specifica banda di frequenze (elimina banda o notch). Altri parametri del filtro, come il fattore Q, affinano ulteriormente la risposta del filtro, definendo i livelli di roll-off, il comportamento transitorio e la forma della banda passante.

In Signal Chain Designer, l'utente può configurare i parametri di filtri semplici scegliendo il tipo di filtro e specificandone i parametri chiave. La procedura guidata per i filtri in Signal Chain Designer può anche progettare filtri semplici fino a filtri del terzo ordine e superiori e importare il filtro nel progetto della catena di segnali digitale. Nell'esempio (Figura 4), l'utente sceglie un filtro passa-basso con una f₀ di 10 kHz e un fattore Q di 0,707. Il filtro di tipo Sallen-Key selezionato utilizza un singolo amplificatore operazionale per accettare un'elevata impedenza di ingresso e generare un segnale a bassa impedenza con una buona stabilità.

Figura 4: L'utente definisce i parametri dello stadio di filtraggio analogico in Signal Chain Designer, compresi il tipo di filtro, f₀, il fattore Q e il guadagno. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Con questi parametri, Signal Chain Designer produce un circuito che include l'amplificatore operazionale rail-to-rail LT6020 di ADI (Figura 5). LT6020 consuma meno di 100 µA ma è in grado di rispondere rapidamente alle variazioni del segnale di ingresso con una velocità di variazione di 5 V/µs. Ha una frequenza di 400 kHz nell'intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e +125 °C.

Figura 5: Lo schema circuitale dello stadio di filtraggio del segnale analogico generato da Signal Chain Designer specifica un amplificatore operazionale LT6020 con elevata velocità di variazione e basso consumo come filtro Sallen-Key passa-basso del secondo ordine. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Stadio di conversione analogico/digitale

Lo stadio finale del percorso di un segnale dalla risposta del sensore ai dati è la conversione del segnale analogico in forma digitale. Le architetture ADC più comuni includono il registro ad approssimazioni successive (SAR) per una buona risoluzione a una velocità di campionamento moderata e delta-sigma (ΔΣ) per un'alta risoluzione a velocità di campionamento inferiori. Per ottenere l'uscita digitale desiderata, i progettisti devono conoscere il tipo di ingresso, la risoluzione del sistema e la velocità dei dati in uscita.

L'utente specifica questi parametri in Signal Chain Designer e il software genera un circuito ADC che include un riferimento di tensione e un filtro passivo resistivo/capacitivo (RC) sull'ingresso. Alcuni ADC consentono inoltre di integrare il filtraggio digitale o di impostare gli ADC in modalità ad alta impedenza (Hi-Z) per progetti più semplici e a basso consumo.

Nell'esempio (Figura 6), l'uscita di Signal Chain Designer specificava il riferimento di tensione ADR4525 e l'ADC ΔΣ AD7175-2 di ADI. ADR4525 ha una buona stabilità termica con coefficienti termici compresi tra 0,8 ppm/°C e 4,0 ppm/°C e un rumore di uscita di 1µV_P-P a 2,048 V_OUT e da 0,1 Hz a 10 Hz. AD7175-2 è un ADC a 24 bit con un throughput di 250.000 campioni al secondo (250 ksps) e un tempo di assestamento di 20 µs.

Figura 6: Nello stadio di conversione analogico/digitale, lo schema circuitale creato con Signal Chain Designer include un filtro di ingresso RC passivo, un riferimento di tensione e un modulo ADC. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

In qualsiasi stadio della catena di segnali, l'utente può visualizzare una tabella con i componenti alternativi appropriati. Ad esempio, un progettista può scegliere di sostituire un ADC SAR come AD4008 con l'ADC ΔΣ mostrato nell'esempio. AD4008 assorbe tra 70 µW a 10 ksps e 14 mW a 2 Msps, la sua potenza massima. Il funzionamento pseudo-differenziale offre una precisione di 16 bit con un design semplificato in modalità Hi-Z.

Dopo la conversione analogico/digitale, i progettisti possono ottimizzare l'uscita inserendo blocchi di filtro digitale nel progetto a valle dell'ADC in Signal Chain Designer. Le opzioni di questi blocchi di filtraggio digitale includono medie, filtri del primo e del secondo ordine e semplici filtri CIC a media mobile.

Dopo aver creato un sistema di acquisizione dati virtuale con Signal Chain Designer, l'utente può simulare la risposta in frequenza, il rumore, il budget di errore c.c., la potenza e gli intervalli di ingresso nel software. Per simulazioni più personalizzate, Signal Chain Designer può creare banchi di prova virtuali che possono essere modificati ed eseguiti in LTspice.

Conclusione

Strumenti digitali come Signal Chain Designer di ADI possono ridurre al minimo le congetture e la frustrazione che solitamente assillano i progettisti di sistemi di acquisizione dati di precisione. Grazie ai modelli di un'ampia gamma di amplificatori operazionali, riferimenti di tensione, ADC e altri componenti facilmente reperibili all'interno del software, Signal Chain Designer consente agli utenti di mettere a punto i propri sistemi di acquisizione dati in modo virtuale, garantendo una transizione agevole verso l'acquisizione e la distribuzione dell'hardware.