Tras generaciones de equipos de prueba y medición de mesa personalizados, la transición continúa hacia instrumentos portátiles con más flexibilidad, control de software y factores de forma más pequeños. En este artículo, aprenderá cómo la nueva tecnología de componentes de ancho de banda medio de Analog Devices permite una nueva generación de instrumentación móvil de alto rendimiento.
Ámbitos de aplicación
Un instrumento de plataforma modular con alto rango dinámico es el equivalente del siglo XXI a la cinta métrica. El instrumento ofrece la capacidad de medición necesaria para impulsar la innovación, la investigación y el desarrollo en un amplio espectro de especialidades.
- Pruebas dentro de los campos de investigación y desarrollo de la ciencia de los materiales, desde el análisis estructural de las palas de un molino de viento hasta la salud, el bienestar y la producción eléctrica de su turbina.
- Medición de las salidas de los transductores de tensión/piezoeléctricos, acondicionamiento de dichas tensiones y autorización del análisis cuantitativo para determinar el buen estado estructural y desarrollo de materiales, y provisión de una medición clara sin interferencia.
- Mediciones del ruido dentro de la cabina del automóvil. La digitalización de la salida de los micrófonos colocados en la cabina durante el desarrollo del prototipo, hasta permitir bucles de control más rápidos y precisos que aumenten el rendimiento de la producción en la fábrica.
- Pruebas eléctricas:
- Mediciones de audio que permiten el desarrollo de módulos de micrófonos avanzados y altavoces para control y funcionamiento activado por voz.
- Prueba eléctrica dentro de equipos de pruebas automáticas (ATE) tanto para electrónica pasiva como activa, donde la precisión de la medición de parámetros y la velocidad se ven reflejados en el costo de la prueba.
- La electroencefalografía (EEG) necesita un rango dinámico extremadamente alto en un ancho de banda específico cercano a la CC. Se necesita menos energía para empaquetar cientos de canales de medición simultáneos en un factor de forma pequeño.
Estas aplicaciones de amplio espectro tienen números de canales de igualmente amplio espectro. Los módulos estándar de 8 canales en aplicaciones industriales se amplían a 512 canales y más para una medición de EEG. Escalar el diseño de la interfaz de medición a una cantidad de canales mayor y, a la vez, mantener el muestreo simultáneo es clave. Es la base para los datos que guían una generación de investigación, desarrollo, producción y operación final.
Crear alojamientos de factores de forma más pequeños y, a la vez, conservar la densidad del canal de medición exige eficiencia energética. Aumentar el rango dinámico del convertidor analógico a digital (ADC) y la cadena que lo precede a 110 dB y, al mismo tiempo, mantener el consumo de corriente bajo control es una lucha permanente. Equilibrar el rango dinámico, el ancho de banda de entrada y el consumo de corriente no es tarea fácil.
Ha aparecido un nuevo subsistema ADC respaldado por las capacidades del AD7768 y AD7768-4. Proporciona la capacidad de digitalizarse en anchos de banda más amplios con mayor precisión que antes, y lo hace con fidelidad y muestreo sincronizado entre múltiples canales. También proporciona herramientas para aminorar los desafíos térmicos y derribar el equilibro correcto del rango dinámico, ancho de banda de entrada y el consumo de corriente en un diseño de sistema modular de rango dinámico alto.
Huella térmica reconfigurable, ancho de banda de medición programable mediante software
El AD7768 puede adaptarse a la situación de medición. El calor, la reducción de espacio en el aire y la ausencia de enfriamiento activo son todas las limitaciones de los instrumentos modulares. El AD7768 las facilita mediante el uso en los modos de operación incorporados para el escalamiento de potencia rápida, mediano y ecológico. Para un ancho de banda de entrada dado, el usuario puede decidir utilizar más o menos potencia y reducir el calor dentro del módulo. Un ejemplo sería digitalizar en un ancho de banda de entrada de 51.2 kHz. Un ancho de banda de este tipo es popular para análisis basado en la transformada rápida de Fourier (FFT), ya que proporciona un tamaño de depósito entero dentro de la salida de FFT. El AD7768 incluye un filtro digital de pared que establece un límite a ese ancho de banda de entrada requerido. Una banda de paso de baja ondulación y una banda de transición inclinada se combinan con total atenuación a frecuencias apenas superiores a 51.2 kHz, lo que significa que no hay plegado proveniente de la frecuencia Nyquist. En el caso del AD7768, el usuario puede optar por operarlo en modo rápido o medio. La decisión está entre el consumo de corriente y el rango dinámico, en función de cuál sea el más restringido para el sistema. Echemos un vistazo:
Figura 1. Digitalización del ancho de banda de entrada de 50 kHz. Rendimiento en modo rápido, FFT que muestra el rendimiento con el control de ADA4896-2. (El AD7768 en modo rápido con dec × 64 da una velocidad de salida de 128 kSPS). Precarga del búfer de entrada analógica activada (ON).
Figura 2. Digitalización del ancho de banda de entrada de 50 kHz. Rendimiento en modo medio, FFT que muestra el rendimiento con el control de ADA4896-2. (El AD7768 en modo medio con dec × 32 da una velocidad de salida de 128 kSPS). Precarga del búfer de entrada analógica activada (ON).
El equilibrio entre el rango dinámico y el consumo de corriente se demuestra aquí con los siguientes ajustes básicos:
MCLK = 32.768 MHz, filtro de paso de banda de baja ondulación (“pared”), tasa de transferencia de datos de 128 kSPS para cada modo, digitalización de 50 kHz de ancho de banda de entrada con una onda sinusoidal de entrada de 1 kHz a −0.5 dB por debajo de la escala completa. En la figura 1 y la figura 2, se muestra una comparación del rendimiento de ADC: una versión digital de baja distorsión destacada de la onda senoidal de entrada analógica. Si se mueve al modo medio, es posible lograr un menor consumo de corriente a cambio de comprometer el ruido y el rango dinámico en 3 dB.
Tabla 1. Digitalización y creación de una FFT para ancho de banda de 51.2 kHz. Elija el rango dinámico más alto o el menor consumo de corriente
1 Nota: Algunos proveedores expresan este número como SNR (ruido de entrada reducido). Pruebas del AD7768 con una onda senoidal completa, que ejerce todo el rango de referencia requerido para lograr un verdadero SNR.
2 Incluye búferes de entrada analógica de carga previa. Los búferes de carga previa reducen la corriente de entrada analógica en comparación con la amplitud de entrada y hacen que las entradas analógicas sean más fáciles de controlar en el amplificador controlador precedente. El AD7768 ofrece un beneficio distintivo en cuanto a la distorsión con búferes de carga previa activados.
En el caso de que hubiese un ancho de banda de medición clásica 51.2 kHz, el usuario puede optar por reducir la corriente o aumentar al máximo el rango dinámico del ADC. No solo el escalamiento de potencia se aplica al ADC, sino que también existe un efecto colateral en el circuito del amplificador controlador antes del ADC. Tal como se muestra en la figura 3, el subsistema también incluye un amplificador controlador, que, por lo general, incluye un acondicionamiento de señales para antialiasing.
Figura 3. Escalamiento de potencia del subsistema de ADC: el espacio del amplificador controlador se puede volver a completar con amplificadores de baja corriente en conjunto con la amplificación de potencia en el ADC.
Una selección de amplificadores con diferente consumo de potencia se pueden asociar a cada uno de los modos de alimentación. En la tabla, se muestra que un diseño inicial para modo rápido se puede escalar posteriormente para su uso ya sea en los modos medio o ecológico con el mismo espacio base, pero con el nuevo objetivo de menor consumo de corriente.
Tabla 2. Asociación de modos de alimentación de ADC con soluciones efectivas de amplificador controlador
Escalar a un amplificador de menor potencia con modo medio ayuda a reducir más aún el consumo de corriente. El rendimiento mediante el uso del ADA4807-2 o el ADA4940-1 en modo medio se muestra en la figura 4 y en la figura 5 cuando se digitaliza para CA y CC sobre un ancho de banda de entrada de 50 kHz.
Figura 4. Rendimiento en modo medio, FFT que muestra el rendimiento con el ADA4807-2 que conduce el búfer de entrada analógica de precarga del ADC a encendido (ON)
Figura 5. Rendimiento en modo medio, FFT que muestra el rendimiento con el ADA4940-1 que conduce el búfer de entrada analógica de precarga del ADC a encendido (ON)
Tener la capacidad de ajustar y escalar el consumo de energía del subsistema de medición ofrece dos beneficios. En primer lugar, la flexibilidad del escalado de energía integrado permite mejorar sobre la marcha el rango de medición o la duración de esta (por ejemplo, si el módulo se alimenta de una batería). En segundo lugar, permite crear un diseño de plataforma base que puede configurarse y adaptarse para anchos de banda de medición y puntos de rendimiento específicos, de modo que se desarrolla un instrumento personalizado para satisfacer el reto de medición exacto del cliente final.
Ancho de banda de entrada configurable mediante software y latencia, y su aplicación a grupos de canales
El AD7768 no solo se puede usar para escalar el consumo de corriente y el rango dinámico del ADC, sino que también existe el filtrado configurable, que se puede adaptar a la situación de medición. Los filtros de baja ondulación de pared son fantásticos para proporcionar precisión de ganancia en un amplio rango de frecuencias. Su consumo es un tiempo promedio/de gran integración. Como resultado, el retraso del grupo es relativamente grande para el AD7768, en el rango de 34 ciclos de datos antes de que vea la versión digitalizada de la entrada analógica. Para dar una escala de tiempo relativa, al funcionar en modo rápido a 250 kSPS, cada ciclo de conversión de datos es de 4 μs, por lo que el retraso del grupo es de 136 μs. Esto puede no ser tolerable en bucles de control o en aplicaciones que puedan valorar la respuesta rápida por encima de la precisión de la ganancia sobre la frecuencia. Para hacer posible estas mediciones de rango dinámico alto en bucles de control, se puede usar el filtro sinc5. Este trayecto reduce el retraso del grupo en un factor de 10 relativo al filtro de banda ancha.
Una capacidad útil del AD7768 es que puede permitir que un usuario combine los tipos de filtro entre los canales. Cada ADC se puede asignar a una o dos agrupaciones de canales. Cada grupo, entonces, se puede asignar a uno de los dos filtros y su velocidad se puede establecer a través de una de las seis tasas de diezmado disponibles. Esta funcionalidad permite efectuar diferentes tipos de mediciones dentro de los ocho ADC y les permite configurarse a través de ajustes mediante software similar al supuesto en el que cada uno de los ADC era distinto. Una situación de ejemplo es cuando se monitorea un activo industrial importante: el usuario podría optar por medir la salida de CC de un transmisor de 4 mA a 20 mA o un transmisor de salida de tensión al mismo tiempo que se mide el sensor de vibración en otro canal de entrada analógica. La respuesta de CC se puede leer en el transmisor y llevar al bucle de control, mientras que la vibración se mide en un canal separado pero simultáneo. La mezcla de ancho de banda de entrada y las capacidades de latencia son la base para crear un instrumento personalizado y de alto valor para los entornos industriales: un instrumento que realiza la doble función de ejecutar las variables del proceso e integrar la información de vibración de la planta, todo en un solo sistema y de forma simultánea.
Figura 6. Comparación del retraso del grupo del filtro sinc5 con el filtro de ancho de banda. Sinc5 proporciona una respuesta rápida a cambios de entrada en la entrada analógica, adecuada para aplicaciones de bucle de control donde es clave que la latencia del bucle se reduzca al mínimo. (El punto verde representa la muestra en el tiempo de retraso del grupo; el punto rosa indica un valor final establecido de cada filtro).
Figura 7. Configure los diferentes canales de ADC para los diferentes tipos de filtro. Dos grupos: A usa banda ancha y B, sinc. La tasa de diezmado para cada grupo también se podría configurar a través de SPI.
El alto rendimiento con alta velocidad escalable y la baja potencia permiten factores de forma y casos de uso modernos
El cambio de instrumentación más grande y fija a dispositivos más móviles y flexibles continúa ganando popularidad. Estos ofrecen un valioso potencial para innovación y desarrollo avanzado y una amplia gama de industrias, mercados y aplicaciones. Si bien existen desafíos como rango dinámico, ancho de banda de entrada y consumo de corriente, los ADC avanzados colaboran en la mitigación de estos y ofrecen a los diseñadores una herramienta con mayores capacidades que antes.
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