Come personalizzare i componenti analogici di un anello di controllo digitale

L'accelerazione della diffusione dei sistemi elettrici ed elettronici per la telefonia mobile, il settore automotive e l'Internet delle cose (IoT), unita all'abbattimento del time-to-market, ha portato alla necessità di test più rapidi ed economici dei CI che li supportano.

Per raggiungere questi obiettivi sono necessarie piattaforme di test CI automatizzate con una maggiore flessibilità e modularità, nonché un numero ridotto di componenti per risparmiare costi e spazio.

Per soddisfare questi requisiti, i progettisti stanno passando dai classici controller analogici a quelli anello di controllo digitali facilmente programmabili per la stabilità dell'anello. Sebbene il controller digitale elimini resistori, condensatori e interruttori, la risoluzione e l'accuratezza del convertitore analogico/digitale (ADC) e del convertitore digitale/analogico (DAC) influenzano notevolmente l'accuratezza complessiva dell'architettura dell'anello di controllo digitale.

Questo articolo illustra brevemente i vantaggi di un anello di controllo digitale. Vengono quindi discusse le sfide di implementazione, come le fonti di errore di temporizzazione e di rumore del convertitore, e la loro gestione ponendo l'attenzione sulla velocità di trasmissione e sul rapporto segnale/rumore (S/R) di un ADC, e alle specifiche del tempo di assestamento e della densità spettrale del rumore del DAC.

Presenta poi il dispositivo AD4630-24 di Analog Devices, un ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) a 24 bit, e il DAC con uscita in tensione AD5791 di Analog Devices. Questi due dispositivi combinati possono costituire la base di un controller digitale altamente accurato e flessibile per misurazioni strumentali di precisione.

Anelli di controllo digitali

Nei sistemi ingegneristici, i controller assicurano un comportamento soddisfacente in regime transitorio e stazionario. L'implementazione di un controller analogico prevede ingressi e uscite analogiche in cui i segnali sono presenti lungo un intervallo di tempo continuo, con valori in un intervallo di ampiezza continuo. Un sensore misura la variabile controllata e ne confronta il comportamento con un segnale di riferimento. L'azione di controllo del test utilizza un segnale di errore, ossia la differenza tra i valori di riferimento e quelli reali (Figura 1).

Figura 1: Un sistema analogico di controllo motore utilizza vari amplificatori (U1-U5) e un insieme di valori predeterminati di resistori e condensatori. (Immagine per gentile concessione di Quora)

Intuitivamente, i controller con uscita analogica continua di sistema parrebbero superiori ai controller digitali con i loro valori di uscita campionati (Figura 2).

Figura 2: Sistema di misurazione che utilizza una configurazione con controller digitale con un DAC, due ADC, amplificatori analogici e interruttori. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

La logica indicherebbe le variabili di controllo o le uscite di un controller analogico che cambiano di continuo per un controllo migliore rispetto alle misurazioni che cambiano periodicamente nelle strutture digitali.

Questa deduzione è valida. Supponendo che tutti gli altri fattori di controllo digitali e analogici siano identici, il controllo analogico è superiore a quello digitale. Quindi, perché cambiare il classico controller da analogico a digitale? I cinque motivi sono: precisione, errori di implementazione, flessibilità, velocità e costi.

Precisione: la rappresentazione digitale dei segnali analogici è espressa valori zero e uno, con un massimo di 32 bit tipicamente utilizzati per rappresentare un singolo valore analogico (Figura 2). Queste conversioni creano un piccolo errore di quantizzazione digitale che deve essere affrontato. I segnali analogici, invece, sono soggetti a derive dell'alimentazione e al rumore esterno che ne compromettono le prestazioni. Queste derive analogiche legate alla temperatura e al tempo sono difficili e costose da controllare, mentre gli effetti dell'invecchiamento e della temperatura sui regolatori digitali sono trascurabili.

Errori di implementazione: gli errori di implementazione sono trascurabili in un controller digitale. Questo perché l'elaborazione digitale dei segnali di controllo utilizza valori numerici memorizzati per le funzioni di addizione e moltiplicazione, anziché i componenti analogici con i loro errori di deriva termica e la precisione inaffidabile di resistori, condensatori e induttori. Inoltre, le impostazioni delle costanti di tempo di un controller digitale sono facilmente modificabili via software, mentre un controller analogico ha un numero fisso di costanti di tempo. Le modifiche del controller digitale possono essere effettuate al volo, consentendo allo strumento di adattarsi alle varie condizioni di carico e di migliorare l'efficienza complessiva del test.

Flessibilità: i controller analogici hanno difficoltà in fatto di flessibilità. Una volta completata la progettazione hardware, le modifiche alla scheda CS sono lunghe e costose. Con un controller digitale, le modifiche sono facili da implementare, fino alla sostituzione totale del codice. Inoltre, non sussistono vincoli sulla forma o sulla struttura del controller digitale ed è facile realizzare strutture complesse che prevedono opzioni aritmetiche aggiuntive.

Velocità: le prestazioni di calcolo continuano a crescere in modo esponenziale. Questo rende possibile il campionamento e la gestione dei segnali a velocità molto elevate, mentre l'intervallo tra i campioni continua a ridursi sempre più. Le prestazioni di un moderno controller digitale sono equivalenti a quelle di un sistema di monitoraggio analogico continuo.

Costo: grazie ai progressi nella produzione di semiconduttori, il costo dei CI continua a scendere, rendendo i controller digitali più economici, anche per applicazioni piccole e a basso costo.

Sfide dell'implementazione analogica per i controller digitali

L'ADC e il DAC si trovano al confine tra il dominio analogico e quello digitale, entrambi con caratteristiche elettriche diverse. Il trucco consiste nello scoprire le specifiche complementari tra i due, in modo che possano coesistere nello stesso sistema. Dal punto di vista del throughput del sistema, è fondamentale definire le caratteristiche di velocità e rumore del trasferimento complessivo.

Le stime di temporizzazione di ADC e DAC

Di norma esiste una chiara definizione della velocità di trasmissione dell'ADC in mega campioni al secondo (Msps) o chilo campioni al secondo (ksps). Il tempo di throughput in frequenza Hertz è l'inverso della velocità di throughput in secondi. Il tempo di throughput è il tempo necessario al convertitore per campionare, acquisire, digitalizzare e preparare la conversione successiva. Questo tempo è anche il tempo minimo di conversione in un'applicazione di conversione continua. Le unità di specifica definiscono la velocità di conversione di una parola di uscita completa. Ad esempio, se l'ADC dispone di un pin di uscita seriale digitale e il convertitore ha 24 bit, l'intera conversione a 24 bit dell'ingresso analogico viene trasmessa prima dell'inizio della conversione successiva (Figura 3).

Figura 3: Lo schema di temporizzazione dell'ADC illustra il numero di codici digitali accettati dal convertitore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un ADC con specifiche di 2 Msps emette una parola completa ogni 500 ns. Purtroppo, questo singolo campione di conversione non fornisce un quadro completo di un segnale di ingresso analogico. Secondo il teorema di Nyquist, l'ADC deve produrre un minimo di due campioni per generare il segnale di ingresso analogico. Come minimo, per soddisfare il teorema di Nyquist, questo processo richiede due volte 500 ns o 1 µs di tempo. Si tratta di un numero minimo di campioni per creare la struttura del segnale analogico. Per ricreare un segnale analogico in digitale sono preferibili quattro o otto campioni.

Passando alle specifiche del DAC, il tempo di assestamento della tensione di uscita del DAC è il tempo necessario alla tensione di uscita per assestarsi a un livello specifico per una determinata variazione della tensione (Figura 4).

Figura 4: Un DAC mostra un errore nel tempo di assestamento che registra il tempo necessario per raggiungere il valore finale. L'errore del tempo di assestamento nel caso peggiore si verifica in genere quando l'uscita è compresa tra i codici di ingresso 100 000 e 011 111 ... (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Utilizzando la Figura 4 come esempio di DAC, il tempo di assestamento nel caso peggiore è inferiore a 1 µs. L'inverso matematico di questo valore è pari a 1 MHz, che equivale anche a 1 Msps. Per rientrare nei criteri di Nyquist, il DAC deve produrre due campioni di uscita che richiedono due volte 1 µs di tempo, o 2 µs, e come nel caso dell'ADC, più sono i campioni, meglio è.

Ora, la storia finale del teorema di Nyquist. Secondo il teorema, la riproduzione di un segnale richiede un minimo di due campioni. In questo scenario, il teorema identifica solo la frequenza del segnale. È qui che il teorema necessita dell'applicazione del buon senso. La raccolta di campioni di dimensioni maggiori richiede più tempo, ma produce una ricostruzione del segnale più affidabile.

Le stime del rumore di frequenza di ADC e DAC

La definizione di rumore richiede la comprensione della risoluzione effettiva del convertitore e del rumore quadratico medio. L'indicazione della risoluzione del convertitore, come 24 bit, 20 bit o 1 ppm, descrive il numero di uscite o ingressi dell'ADC o del DAC. Ad esempio, un ADC a 24 bit genera ventiquattro codici di uscita per ogni conversione, mentre un DAC a 20 bit raccoglie venti valori di ingresso digitali per una conversione. Con questi valori, però, non è possibile definire la precisione della frequenza del convertitore.

La definizione della precisione di un convertitore si basa su specifiche di rumore come il rapporto S/R o il rumore efficace. Una specifica ADC per il rumore nel campo di frequenza di uscita è un valore S/R tipico in decibel. Il rapporto S/R viene calcolato tramite l'equazione 1:

 Equazione 1

La scheda tecnica dell'ADC o del DAC definisce l'intervallo di uscita del dispositivo. Il rumore è la somma quadratica cumulativa (RSS) sulla banda di frequenza del convertitore.

La risoluzione rms è calcolata utilizzando l'equazione 2:

 Equazione 2

Per un ADC con un rapporto S/R di 105,7 dB, la risoluzione rms è di 17,6 bit, il che significa che il convertitore può gestire in modo affidabile la precisione a questo livello. La specifica del rumore del DAC è solitamente un valore di densità spettrale del rumore, che consente di convertire rapidamente l'effettiva risoluzione rms del DAC. Il rumore di uscita del DAC si calcola con l'equazione 3:

 Equazione 3

Ad esempio, se un DAC a 20 bit ha una densità di rumore spettrale di 7,5 nV/√Hz e una larghezza di banda di 500 kHz, DAC_Noise è pari a 5,3 µV (rms). Da questo valore, la risoluzione rms del DAC con un intervallo di uscita di 5 V è pari a 19,8 bit.

Controller digitale e strumentazione di precisione

Un esempio di sistema di test di dispositivi di controllo digitale per circuiti di test mobili, automotive e IoT è composto da nove dispositivi più un resistore discreto (Figura 5). I dispositivi di questo circuito sono un microprocessore, un ADC, un DAC, un amplificatore driver, un amplificatore per strumentazione a guadagno regolabile e un interruttore SPDT ADG1236 di Analog Devices. Il microprocessore gestisce le interfacce digitali e i dati tra l'ADC e il DAC, come AD4630-24 e AD5791 di Analog Devices.

Figura 5: Un controller digitale utilizza un microprocessore per gestire i dati da e verso l'ADC e il DAC. Il DAC richiede un amplificatore di uscita con guadagno e l'ADC richiede un sistema di amplificazione per attenuare il segnale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

AD4630-24 è un ADC a 2 Msps, 24 bit ±0,9 ppm a non linearità integrale (INL) con un rapporto S/R di 105,7 dB, che produce 17,6 bit (rms). Con una velocità di conversione di 2 Msps, questo ADC richiede come minimo quattro campioni di uscita per creare segnali analogici. L'INL rappresenta la precisione del convertitore in corrente continua.

AD5791 è un DAC a 20 bit ±1 LSB, tempo di assestamento INL 1 µs e densità spettrale di 7,5 nV/√Hz, che crea 19,8 bit (rms). Questo DAC, alla velocità di 1 Msps, richiede 4 µs per generare con precisione i segnali analogici.

I convertitori di questo sistema richiedono anche interfacce per amplificatori operazionali per gestire il pilotaggio dell'uscita e il guadagno analogico. Nella Figura 5, AD8675 di Analog Devices è un amplificatore operazionale con uscita rail-to-rail da 10 MHz, 2,8 nV/√Hz. Il rumore di questo amplificatore porta i bit del sistema DAC a 19,1 (rms). Tuttavia, la larghezza di banda dell'amplificatore a 10 MHz supera quella del DAC.

L'amplificatore per strumentazione completamente differenziale a guadagno programmabile LTC6373 di Analog Devices offre guadagno e un certo grado di isolamento. Se lo stadio DAC implementa un guadagno di 4 V/V, una delle opzioni di guadagno di LTC6373 è 0,25 V/V che riporta il segnale al valore originale. La flessibilità dei livelli di guadagno digitale di LTC6373 contribuisce alle caratteristiche al volo del controller digitale.

Conclusione

La pressione sul time-to-market e sui costi per supportare i requisiti di progettazione in rapida evoluzione dei sistemi di test elettronici per il settore dei dispositivi mobile, automotive e IoT hanno visto la migrazione dai classici controller analogici agli anelli di controllo digitali. Questi anelli offrono una maggiore precisione e flessibilità e un costo inferiore, ma richiedono un'attenta scelta dell'ADC e del DAC.

Come mostrato, accoppiando l'ADC SAR a 24 bit AD4630-24 di Analog Devices con il DAC a 20 bit con uscita in tensione AD5791, è possibile creare un controller digitale accurato e flessibile per misurazioni con strumentazione di precisione.