Après des générations d’équipements de test et de mesure sur banc personnalisés, la transition se poursuit vers des instruments portatifs offrant plus de flexibilité, un contrôle logiciel et des facteurs forme plus petits. Dans cet article, découvrez comment la nouvelle technologie de composants à bande passante moyenne d’Analog Devices permet une nouvelle génération d’instrumentation mobile haute performance.
Domaines applicatifs
Un instrument de plateforme modulaire avec une gamme dynamique élevée est l’équivalent du ruban à mesurer du 21e siècle. L’instrument offre la capacité de mesure requise pour favoriser l’innovation, la recherche et le développement dans un large éventail de spécialités.
- Essais dans les domaines de recherche et de développement de la science des matériaux, de l’analyse structurelle des pales d’un moulin à vent à la santé, au bien-être et à la production électrique de sa turbine.
- Mesurer les sorties des sondes de tension ou piézoélectriques, conditionner ces tensions et permettre une analyse quantitative de la santé structurelle et du développement des matériaux, et fournir une mesure claire sans interférence.
- Mesures du bruit dans l’habitacle des automobiles. La numérisation de la sortie des microphones placés dans la cabine pendant le développement du prototype, jusqu’à permettre des boucles de contrôle plus rapides et plus précises qui augmentent le débit de production dans l’usine.
- Tests électriques :
- Des mesures audio permettant le développement de modules et haut-parleurs de microphone avancés pour le contrôle et le fonctionnement à commande vocale.
- Des tests électriques dans les ATE d’appareils électroniques à la fois passifs et actifs, où la précision de mesure paramétrique et la vitesse conditionnent le coût du test.
- L’EEG a besoin d’une plage dynamique extrêmement élevée sur une bande passante spécifique proche du cc. Une puissance moindre est nécessaire pour faire tenir plusieurs centaines de canaux de mesure simultanés dans un petit facteur forme.
Ces applications diverses nécessitent un nombre de canaux tout aussi divers et large. Les modules 8-canaux standard des applications industrielles passent à 512 canaux et au-delà dans le cas d’une mesure d’EEG. Faire évoluer la conception de la mesure préliminaire pour prendre en compte un grand nombre de canaux, tout en conservant un échantillonnage simultané, est crucial. C’est le socle des données qui guident toute une génération de recherche, développement, de production et fonctionnement final.
Créer des boîtiers de petit facteur forme, tout en préservant la densité du canal de mesure nécessite une efficacité énergétique. Augmenter la plage dynamique du convertisseur analogique-numérique (ADC) et de la chaîne qui le précède à 110 dB, tout en maintenant sous contrôle la consommation électrique est un combat constant. Réaliser un équilibre entre la plage dynamique, de la bande passante d’entrée et de la consommation électrique n’est pas facile.
Un nouveau sous-système ADC pris en charge par les fonctionnalités de l’AD7768 et AD7768-4 est apparu. Il offre la possibilité de numériser à des bandes passantes plus larges et avec une précision plus élevée que précédemment, et de le faire avec une fidélité et un échantillonnage synchrone sur plusieurs canaux. Il fournit également des outils permettant de faire face plus facilement aux défis thermiques et de trouver le bon équilibre de plage dynamique, de bande passante d’entrée et de consommation électrique, dans des conceptions de systèmes modulaires de plage dynamique élevée.
Empreinte thermique reconfigurable, bande passante de mesure programmable par logiciel
L’AD7768 peut s’adapter à la situation de mesure. La chaleur, la diminution de l’espace du boîtier et l’absence de refroidissement actif sont les contraintes auxquelles sont confrontés les instruments modulaires, l’AD7768 les rend plus simples à l’aide de modes de fonctionnement intégrés pouvant faire varier la consommation électrique en FAST, MEDIAN et ECO. Pour une bande passante donnée, l’utilisateur peut décider d’utiliser plus ou moins de courant, ce qui réduit la chaleur à l’intérieur du module. Un exemple serait de numériser sur une bande passante d’entrée de 51,2 kHz. Cette bande passante est très utilisée dans le cas de l’analyse par FFT car elle fournit une valeur entière en sortie FFT. L’AD7768 dispose d’un filtre numérique de type « mur de briques » qui encadre cette bande passante d’entrée obligatoire. Une bande passante à faible ondulation et une bande à transition abrupte se combinent avec la pleine atténuation à des fréquences juste au-delà de 51,2 kHz, ce qui signifie qu’il n’y a pas de chute à partir, approximativement, de la fréquence de Nyquist. Dans le cas de l’AD7768, l’utilisateur peut choisir de fonctionner en mode FAST ou MEDIAN. Il s’agit de choisir entre la consommation électrique et la plage dynamique, en fonction de ce qui est le plus contraignant pour le système. Jetons un coup d’œil :
Figure 1. Numérisation de la largeur de bande d’entrée de 50 kHz. Performances en mode FAST, FFT montrant les performances avec la commande ADA4896-2. (L’AD7768 en mode FAST avec dec × 64 donne un taux de sortie de 128 kSPS) précharge du tampon d’entrée analogique ON.
Figure 2. Numérisation de la largeur de bande d’entrée de 50 kHz. Performances en mode MEDIAN, FFT montrant les performances avec la commande ADA4896-2. (L’AD7768 en mode MEDIAN avec dec × 32 donne un taux de sortie de 128 kSPS) précharge du tampon d’entrée analogique ON.
Le compromis entre la plage dynamique et la consommation de courant est démontré ici en utilisant les paramètres de base suivants :
MCLK = 32,768 MHz, filtre passe-bande à faible ondulation (« mur de briques »), débit de données de 128 kSPS pour chaque mode, numérisation de 50 kHz de bande passante d’entrée avec une onde sinusoïdale d’entrée de 1 kHz à −0,5 dB en dessous de la pleine échelle. La figure 1 et la figure 2 montrent la comparaison de la production de l’ADC : une version numérique à exceptionnellement faible distorsion de l’onde sinusoïdale d’entrée analogique. Le passage en mode MEDIAN permet une consommation électrique réduite en échange d’un compromis sur le bruit et la plage dynamique de 3 dB.
Table 1. Numérisation et création d’une FFT pour une bande passante de 51,2 kHz. Choisissez la plus haute plage dynamique ou la plus faible consommation électrique
1 Remarque : certains vendeurs expriment ce nombre sous le nom de SNR (bruit d’entrée court-circuité). Tests de l’AD7768 avec une onde sinusoïdale complète, utilisant une plage de référence complète nécessaire pour un véritable SNR.
2 Comprend des tampons d’entrée analogique à précharge. Les tampons de pré-charge réduisent le courant d’entrée analogique par rapport à l’amplitude d’entrée et rendent les entrées analogiques plus faciles à commander par l’amplificateur d’attaque précédent. L’AD7768 apporte un avantage en matière de distorsion grâce à la présence de tampons de pré-charge.
Dans le cas d’une bande passante classique de mesure à 51,2 kHz, l’utilisateur peut choisir de réduire le courant ou de maximiser la plage dynamique de l’ADC. Non seulement la variation du courant s’applique à l’ADC, mais il y a aussi un effet d’entraînement sur le circuit d’amplificateur d’attaque précédant l’ADC. Comme on le voit sur la figure 3, le sous-système comprend également un amplificateur d’attaque, comportant typiquement un conditionnement de signaux pour l’anti-repliement de spectre.
Figure 3. Variation de la consommation électrique du sous-système ADC : l’empreinte de l’amplificateur d’attaque peut être recomposée par des amplificateurs de courant plus faibles en conjonction avec la variation de consommation électrique de l’ADC.
Un choix d’amplificateurs de consommation électrique différente peut être associé à chacun des modes d’alimentation. Le tableau illustre le fait qu’une conception initiale pour le mode FAST peut être ultérieurement adaptée pour une utilisation soit en mode MEDIAN, soit en mode ECO avec la même empreinte énergétique de base, mais réorientée pour une consommation électrique inférieure.
Table 2. Cartographie des modes de puissance des ADC pour des solutions efficaces d’amplificateur de pilotage
Utiliser un amplificateur de plus faible consommation électrique en mode MEDIAN permet de réduire davantage la consommation électrique. Le fonctionnement utilisant un ADA4807-2 ou un ADA4940-1 en mode MEDIAN est illustré par les figures 4 et 5, lors de la numérisation en courant continu et alternatif au-delà de la bande passante d’entrée de 50 kHz.
Figure 4. Performance en mode MEDIAN, FFT montrant la performance avec l’ADA4807-2 pilotant le tampon d’entrée analogique de précharge ADC ON.
Figure 5. Performance en mode MEDIAN, FFT montrant la performance avec l’ADA4940-1 pilotant le tampon d’entrée analogique de précharge ADC ON.
Le fait de pouvoir régler et mettre à l’échelle la consommation d’énergie du sous-système de mesure présente deux avantages. Premièrement, la flexibilité de la mise à l’échelle de la puissance intégrée permet une flexibilité à la volée pour améliorer soit la plage de mesure, soit la durée de la mesure (par exemple, si le module était alimenté par une batterie). Deuxièmement, elle permet de créer une conception de plateforme de base qui peut être définie et adaptée pour des largeurs de bande de mesure et des points de performance spécifiques, de sorte qu’un instrument personnalisé est développé pour répondre au défi de mesure exact du client final.
Bande passante d’entrée et latence configurables par logiciel et application à des groupes de canaux
Outre l’utilisation de l’AD7768 pour mettre à l’échelle la consommation de courant et la gamme dynamique de l’ADC, il existe également un filtrage configurable, qui peut être adapté à la situation de mesure. Les filtres à faible ondulation « mur de briques » sont parfaits pour fournir une précision de gain sur une large plage de fréquences. Leur inconvénient est une durée longue d’intégration et de passage à la moyenne. Par conséquent, le retard de groupe est relativement important pour l’AD7768, de l’ordre de 34 cycles de données, avant que vous ne puissiez visualiser la version numérisée de l’entrée analogique. Pour donner une échelle de temps relative, en mode FAST à 250 kSPS, chaque cycle de conversion de données est de 4 μs, le délai de groupe est donc de 136 μs. Cela peut ne pas être tolérable dans les boucles de contrôle ou dans les applications qui privilégient la réponse rapide à la précision du gain sur la fréquence. Pour activer ces mesures de plage dynamique élevée pour les boucles de contrôle, le chemin de filtre Sinc5 est utilisé. Ce chemin permet de réduire le retard de groupe d’un facteur 10 par rapport au filtre à large bande.
Une fonctionnalité utile de l’AD7768 est qu’il peut permettre à un utilisateur de mélanger les types de filtres entre les canaux. Chaque ADC peut être affecté à l’un des deux groupes de canaux. Chaque groupe peut ensuite être affecté à l’un des deux filtres et sa vitesse définie par l’un des six taux de décimation disponibles. Cette fonctionnalité permet à plusieurs types de mesures d’être réalisés dans les huit ADC et leur permet d’être configurés via un paramétrage logiciel similaire au scénario où chacun des ADC était isolé. Par exemple, lors de la surveillance d’un actif industriel important, l’utilisateur peut souhaiter mesurer la sortie c.c. d’un transmetteur de 4 mA à 20 mA ou d’un transmetteur de sortie de tension en même temps que le capteur de vibrations sur un autre canal d’entrée analogique. La valeur du courant continu peut être lue à partir de l’émetteur et introduite dans la boucle de commande, alors que la vibration est mesurée sur une canal séparé, mais simultanément. La combinaison de la bande passante d’entrée et des capacités de latence constitue la base de la création d’un instrument personnalisé de grande valeur pour les environnements industriels : un instrument remplissant la double fonction d’exécution des variables du processus et d’intégration des informations sur les vibrations de l’usine, le tout sur un seul système, et simultanément.
Figure 6. Comparaison du temps de propagation de groupe du filtre Sinc5 avec le filtre à large bande. Le filtre Sinc5 fournit une réponse rapide aux changements d’entrée sur l’entrée analogique, adaptée pour contrôler les applications de boucle pour lesquelles minimiser la latence est très important. Le point vert représente l’échantillon à la durée de retard du groupe, le point rose indique la valeur ajustée finale de chaque filtre.
Figure 7. Configurer des canaux ADC différents pour différents types de filtres. Deux groupes, A utilise un filtre à large bande, B utilise un filtre Sinc. Le taux de décimation pour chaque groupe peut également être configuré sur SPI.
Des performances élevées, associées à une haute vitesse et faible consommation électrique évolutives, permettent des facteurs forme et des cas d’utilisation modernes
Le passage d’une instrumentation de grande taille et fixe à des appareils plus mobiles et flexibles continue à gagner en popularité. Ils offrent un potentiel important pour le développement de pointe et l’innovation au sein d’un large éventail d’industries, de marchés et d’applications. Bien que subsistent des défis tels que la plage dynamique, la bande passante d’entrée, et la consommation électrique, les ADC avancés contribuent à les atténuer et à offrir aux concepteurs un outil doté de plus grandes capacités qu’auparavant.
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