Progettare un sistema front-end di rilevamento industriale di alta precisione

Le applicazioni industriali e di controllo di processo raccolgono molti dati di precisione su temperatura, pressione e sollecitazione per prendere decisioni a monte. Queste applicazioni richiedono però diversi canali in grado di mantenere un'elevata precisione nel dominio della frequenza e tale necessità pone i progettisti di fronte a una sfida.

Questo articolo prende in esame i componenti e i requisiti parametrici chiave di un front-end ad alte prestazioni per il rilevamento industriale e la conversione del segnale. Il rumore è un fattore determinante ai fini della precisione, per cui una soluzione finale adeguata deve risolvere i problemi pertinenti.

Panoramica del sistema

Un sistema front-end di rilevamento industriale a 18 bit ad alta precisione dovrebbe comprendere una struttura di acquisizione dati (DAQ) a più canali, isolata e a basso costo, in grado di gestire i livelli dei segnali industriali. Dall'ingresso all'uscita, il circuito multicanale ad alta precisione che tratteremo inizia con un multiplexer a otto ingressi, configurabile in canali di ingresso a terminazione singola o differenziale (Figura 1). Questi ingressi del multiplexer ricevono vari ingressi di sensori per il controllo del processo, ad esempio sensori di temperatura, pressione e ottici.

Figura 1: Un circuito multicanale ad alta precisione e otto ingressi per più sensori inizia con un multiplexer configurabile in canali di ingresso a terminazione singola o differenziale. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Nella Figura 1, un amplificatore strumentale a guadagno programmabile (PGIA), indicato come "PGA", è posto dopo il multiplexer di ingresso con una capacità di tensione di oscillazione in ingresso e in uscita simile. Sia lo stadio multiplexer che quello PGIA sono in grado di gestire ingressi ad alta tensione fino a ±10 V.

La tensione di modo comune e l'ampia oscillazione dell'uscita di tensione del PGIA non sono coerenti con l'intervallo di ingresso di alimentazione singola del convertitore analogico/digitale (ADC) a 18 bit. Per preparare l'intervallo di tensione del segnale per l'ADC, il sistema richiede un amplificatore a imbuto. L'amplificatore a imbuto svolge tre funzioni: una traslazione di livello del segnale, la conversione da terminazione singola a differenziale e l'attenuazione per soddisfare i requisiti di ingresso dell'ADC a 18 bit ad alimentazione singola.

Dopo l'ADC a 18 bit, un isolatore digitale assicura l'isolamento galvanico. Questo tipo di isolamento permette di avere tensioni di modo comune diverse tra un lato e l'altro senza interferire con la fedeltà del segnale.

Dettagli del circuito

Come descritto sopra, il sistema DAQ multicanale isolato ha un multiplexer, uno stadio PGIA, un driver amplificatore ADC e un ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) di precisione, totalmente differenziale. Il sistema monitora otto canali utilizzando un unico ADC. I driver ADC e l'ADC sono però i principali responsabili del rumore (Figura 2).

Figura 2: È raffigurato lo schema di un sistema DAQ multicanale isolato con un ADC a 18 bit. I driver ADC e l'ADC sono i principali responsabili del rumore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il livello di rumore è una specifica che determina il tipo di componenti idonei per il circuito di questa applicazione.

Scegliere i componenti giusti

Nella Figura 2, il multiplexer di ingresso è ADG5207BCPZ-RL7 di Analog Devices, un multiplexer differenziale a 8 canali, ad alta tensione, a prova di latch-up con una bassissima capacità elettrica di 3,5 pF e un'iniezione di carica di 0,35 pC. Grazie a questa iniezione di carica bassa questi interruttori sono ideali per circuiti DAQ sample-and-hold che richiedono basse velocità di glitch e tempi di assestamento rapidi. ADG5207 può essere configurato per ricevere segnali di ingresso sia a terminazione singola che differenziale. Il dispositivo a logica programmabile complessa (CPLD) mostrato nel circuito seleziona il canale attivo di ADG5207 utilizzando i suoi pin di indirizzo.

Il PGIA è AD8251ARMZ-R7 di Analog Devices. Questo dispositivo offre guadagni selezionabili di 1, 2, 4 e 8. A valle, l'amplificatore a imbuto totalmente differenziale a guadagno selezionabile AD8475ACPZ-R7 di Analog Devices assicura una traslazione di livello per una tensione di modo comune a terra di 2,048 V e impostazioni di guadagno di 0,4 e 0,8. AD8475 ha una bassa densità spettrale del rumore di uscita di 10 nV/√Hz. I guadagni di PGIA e amplificatore a imbuto si combinano per fornire segnali di ingresso a fondo scala appropriati all'ADC SAR a 18 bit AD4003BCPZ-RL7 di Analog Devices (Tabella 1).

Tabella 1: Intervallo di tensione di ingresso e uscita corrispondente a quattro configurazioni di guadagno per il PGIA AD8251. I guadagni di PGIA e dell'amplificatore a imbuto AD8475 si combinano per fornire segnali di ingresso a fondo scala appropriati all'ADC SAR a 18 bit AD4003BCPZ-RL7. (Tabella per gentile concessione di Bonnie Baker)

AD4003BCPZ-RL7 è un ADC SAR di precisione a 18 bit, totalmente differenziale, a 2 Msps, con un tipico rapporto segnale/rumore (SNR) di 98 dB per un riferimento di 4,096 V.

Analisi del rumore di sistema

Visto il suo impatto sulla precisione, quando si progettano DAQ di precisione a velocità più elevate occorre prendere in seria considerazione il rumore. Nel dominio della frequenza il rumore è un fenomeno che incide sia sulla precisione c.a. che c.c. dell'uscita digitale dell'ADC. Il rumore è un evento casuale: un circuito rumoroso potrebbe dare un risultato assolutamente corretto per una singola conversione ma, alla successiva, potrebbe creare un risultato estremamente impreciso. I progettisti si trovano pertanto davanti alla sfida di determinare il contributo di rumore accettabile di tutti i dispositivi del circuito.

Il rumore totale del valore quadratico medio (rms) del sistema equivale alla radice quadrata della somma dei quadrati (rss) di tutti i dispositivi del circuito riferiti all'ingresso dell'ADC AD4003 ed è calcolato usando l'Equazione 1:

Equazione 1

Dove:

V_nADG5207 = contributo di rumore rms del multiplexer ADG5207

V_nAD8251 = contributo di rumore rms del PGIA AD8251

V_nAD8475 = contributo di rumore rms dell'amplificatore a imbuto AD8475

V_nAD4003 = contributo di rumore rms dell'ADC a 18 bit AD4003

L'SNR rms del sistema calcolato usa l'intervallo di ingresso a fondo scala di AD4003, o V_REF, e viene calcolato utilizzando l'Equazione 2:

Equazione 2

Rumore dell'ADC AD4003: il rumore dell'ADC AD4003 dipende dall'errore di quantizzazione del convertitore e dal rumore termico interno. Il calcolo del rumore della tensione di ingresso rms di AD4003 usa la tensione di ingresso a fondo scala (V_REF) e l'SNR operativo, come illustrato dall'Equazione 3:

Equazione 3

La specifica della scheda tecnica per l'SNR di AD4003 con un V_REF di 4,096 V è di circa 98 dB.

Rumore dell'amplificatore a imbuto AD8475: il rumore di uscita rms di AD8475 è una combinazione della densità di rumore spettrale dell'amplificatore (_AD8475) a 1 kHz e del limite della larghezza di banda del circuito amplificatore. La larghezza di banda di AD8475 con un guadagno di 0,4 V/V equivale a 150 MHz. La frequenza d'angolo di 3 dB del successivo filtro resistore-condensatore (RC) è di 6,63 MHz. La combinazione di AD8475 e del filtro di uscita RC crea un limite della larghezza di banda di 6,63 MHz, come dall'Equazione 4:

Equazione 4

Dove:

_AD8475 = 10 nV/√Hz

R = 200 ohm (Ω)

C = 120 pF

BW_RC = 1 / (2xp x R x C) ~ 6,63 MHz

Rumore del PGIA AD8251: il contributo di rumore rms di AD8251 dipende dal suo AD8251 con riferimento all'ingresso, rumore puntiforme di 1 kHz, (_AD8251) con unità di nV/√Hz, dall'impostazione del suo guadagno (G_AD8251), dal guadagno di AD8475 (G_AD8475) e dalla larghezza di banda del filtro antirumore sull'ingresso di AD4003 (BW_RC). Viene calcolato tramite l'Equazione 5:

Equazione 5

Il valore di _AD8251 è di 40 nV/√Hz per un guadagno di 1 V/V e di 18 nV/√Hz per un guadagno di 8 V/V.

Rumore del multiplexer ADG5207: l'equazione del rumore di Johnson-Nyquist dà la densità spettrale del rumore del multiplexer e il rumore rms risultante, Equazione 6:

Equazione 6

Dove:

k_B = costante di Boltzmann = 1,38 x 10^-23

T = temperatura in gradi Kelvin

R_ON = resistenza del multiplexer "on" (secondo la scheda tecnica di ADG5207)

L'uso di questa formula (Equazione 6) è appropriato perché il multiplexer funge da resistenza in serie.

Il valore della densità spettrale del multiplexer (ϵ_nADG5207) produce il contributo di rumore rms di ADG5207 utilizzando l'Equazione 7:

Equazione 7

Riassunto dell'analisi del rumore

Il contributo di rumore totale calcolato per ogni componente riportato nella Figura 2 e l'SNR risultante per un guadagno cumulativo di 3,2 è di 84,7 dB. Gli elementi che contribuiscono maggiormente al rumore totale sono il PGIA AD8251 e l'ADC AD4003 (Tabella 2).

Tabella 2: Le prestazioni SNR calcolate del sistema DAQ multicanale per un guadagno cumulativo di 3,2 sono di 84,7 dB. (Dati per gentile concessione di Analog Devices)

Valutazione e test del circuito

Per valutare e testare questo circuito, i progettisti possono utilizzare il kit di valutazione EVAL-CN0385-FMCZ che contiene il circuito riportato nella Figura 2 (Figura 3).

Figura 3: La scheda di valutazione EVAL-CN0385-FMCZ può essere utilizzata per sperimentare il progetto del front-end DAQ descritto in questo articolo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il Design Support Package CN-0385 contiene lo schema dell'intero circuito e il materiale di supporto al layout. Il kit di valutazione contiene anche la scheda controller EVAL-SDP-CH1Z per agevolare l'acquisizione dei dati (Figura 4).

Figura 4: Layout funzionale di impostazione del test per valutare il front-end DAQ. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I risultati delle prestazioni della scheda EVAL-CN0385-FMCZ mostrano valori molto simili ai calcoli del rumore (Tabella 3).

Tabella 3: SNR, rumore e prestazioni di distorsione armonica totale (THD) della scheda EVAL-CN0385-FMCZ per un ingresso a onda sinusoidale a fondo scala di 10 kHz per guadagni cumulativi di 0,4, 0,8, 1,6 e 3,2. (Dati per gentile concessione di Analog Devices)

Un Audio Precision SYS-2700 ha generato il segnale in una modalità di ingresso differenziale. Sono raffigurati i grafici della trasformata di Fourier veloce (FFT) del segnale di ingresso di 10 kHz (Figure 5, 6, 7 e 8).

Figura 5: FFT per ingresso p-p a 10 kHz, 20 V per guadagno = 0,4 su canale singolo, statico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 6: FFT per ingresso p-p a 10 kHz, 10 V per guadagno = 0,8 su canale singolo, statico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 7: FFT per ingresso p-p a 10 kHz, 5 V per guadagno = 1,6 su canale singolo, statico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 8: FFT per ingresso p-p a 10 kHz, 2,5 V per guadagno = 3,2 su canale singolo, statico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Come mostrato dai grafici, le prestazioni della catena di segnali di ADG5207, AD8251, AD8475 e AD4003 all'interno della scheda di valutazione EVAL-CN0385-FMCZ sono molto simili a quelle dei calcoli precedenti.

Conclusione

Negli ambienti di controllo di processo e industriali sono presenti estese attività di raccolta dati, compresa la raccolta di dati di precisione su temperatura, pressione e sollecitazione. Queste applicazioni richiedono canali multiplati ad alta precisione anche in presenza di un basso rumore nel dominio della frequenza. Il front-end di misurazione analogica ideale ha un multiplexer, un PGIA e un ADC di precisione a 2,0 Msps a 18 bit. L'ADC campiona il segnale del canale multiplexer attivo. Questo articolo fornisce calcoli accurati e dati di prova complementari per un circuito idoneo. I risultati del test mostrano che le prestazioni effettive della catena di segnali di ADG5207, AD8251, AD8475 e AD4003 all'interno della scheda di valutazione EVAL-CN0385-FMCZ sono molto simili a quelle dei valori calcolati.