Après des générations d'instruments personnalisés présents sur la paillasse du laboratoire, la transition se poursuit vers des instruments modulaires dotés de plus de flexibilité, d'un contrôle logiciel et de facteurs forme plus faibles. Cependant, atteindre une consommation d'énergie plus faible, tout en respectant les objectifs de précision de mesure et de bruit, demeure un défi.
Un élément de cette évolution est de permettre la mobilité. Les grands systèmes basés sur des armoires et personnalisés comportent des limites d'un point de vue logistique. L'éclatement de l'équipement d'armoire ou de bureau en nœuds plus petits a rendu possible une configuration personnalisée, elle optimise de plus les instruments par rapport à l'environnement et au lieu du site ou du l'objet du test. L'amélioration de la mobilité du nœud de mesure permet de réduire le câblage aux câbles de la sonde et élimine la nécessité de connecter de nombreux câbles à l'entrée correcte d'une grande armoire - toutes choses qui facilitent la vie lors de l'installation de la mesure. En dépit des changements de facteurs forme, les besoins demeurent d'une performance optimale, de sécurité et de précision du test.
Domaines applicatifs
Un instrument à plate-forme modulaire avec une plage dynamique élevée peut être comparé au mètre ruban du 21ème siècle mesurant le développement de pointe et l'innovation d'un large éventail d'industries.
• Réaliser des essais dans les domaines de la recherche et du développement de la science des matériaux, tels que l'analyse structurelle d'une grande variété d'éléments, depuis les pales d'un moulin à vent jusqu'à l'état, la conformité et 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.
• Des mesures destinées à des applications de détection du bruit de l'habitacle automobile qui peuvent s'appliquer à la mise en place de microphones de numérisation au cours du développement du prototype, en passant par des boucles de contrôle plus rapides et plus précises pour augmenter le débit de production en 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.
• Cartographier des chemins neuronaux et mesurer des signaux électriques pour recueillir des données sur la fonction du cerveau. Tous ces usages font apparaître clairement un besoin de bande passante plus faible, de plage dynamique plus élevée, de faible consommation électrique et d'un plus 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 boitier 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. Plus précisément, quelle est la contrainte la plus importante pour le système. Jetons un coup d'œil :
MCLK = 32,768 MHz, filtre passe-bande à faible ondulation, (« Mur de briques »), un taux des données de 128 ksps pour chaque mode, numérisation 50 kHz de la bande passante d'entrée avec une onde sinusoïdale d'entrée de 1 kHz à -0,5 dB de moins par rapport à l'échelle complète. 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 médian permet une consommation électrique réduite en échange d'un compromis sur le bruit et la plage dynamique de 3 dB.
Tableau 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
1Remarque, certains vendeurs expriment ce nombre en SNR (bruit d'entrée en court-circuit, Shorted Input Noise). Tests de l'AD7768 avec une onde sinusoïdale complète, utilisant une plage de référence complète nécessaire pour un vrai SNR.
2Comprend des tampons (buffers) d'entrée analogique de pré-charge. 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-aliasing.
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.
Tableau 2. Correspondance des modes d'alimentation ADC aux solutions d'amplification d'attaque efficaces
Utiliser un amplificateur de plus faible consommation électrique en mode médian permet de réduire davantage la consommation électrique. Le fonctionnement utilisant un ADA4907-2 ou un ADA4940-1 en mode médian 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.
Avoir la possibilité de régler et faire varier la consommation électrique du sous-système de mesure apporte deux avantages : une flexibilité intégrée de variation de la consommation électrique et la capacité de créer une conception de plate-forme de base qui puisse être adaptée pour différentes bandes passantes de mesure, points de fonctionnement et marchés de mesures finales.
Bande passante d'entrée et latence configurables par logiciel et application à des groupes de canaux
L'AD7768 peut non seulement être utilisé pour faire varier la consommation électrique et la plage dynamique de l'ADC, il comporte 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 relative de temps, en cours d'exécution en mode FAST à 250 ksps, chaque cycle de conversion de données est de 4 us, de sorte que le retard de groupe est de 136 us. Ceci peut ne pas être supportable dans des boucles de contrôle, ou pour des applications qui ont davantage besoin d'une réponse rapide que de gain de précision sur la fréquence. Pour activer ces mesures de plage dynamique élevée pour les boucles de contrôle, le chemin de filtre Sinc 5 est utilisé.
Ce chemin permet de réduire le retard de groupe d'un facteur 10 par rapport au filtre à large bande.
Figure 4. Comparaison du retard de groupe d'un filtre Sinc 5 par rapport à un filtre à large bande. Le filtre Sinc 5 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.)
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. Un exemple de scénario est celui de la surveillance d'un actif industriel important. L'utilisateur peut souhaiter mesurer la sortie du courant continu d'un émetteur 4 à 20 mA ou d'un émetteur de tension de sortie, en même temps que la mesure du 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. Ce mélange de bande passante d'entrée et de fonctionnalités de latence offre la possibilité de disposer dans un milieu industriel d'une instrumentation personnalisée à haute valeur ajoutée, faisant plus qu'exécuter des variables de processus, mais intégrant simultanément de manière équilibrée des informations sur le niveau des vibrations de l'usine.
Figure 5. 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.
À propos de l'auteur
Michael Clifford fait partie de l'équipe Applications linéaires et technologie de précision chez Analog Devices Inc. (Limerick, Irlande). Il travaille pour Analog Devices depuis 2004 et se consacre aux produits de conversion analogique-numérique de précision, en particulier ceux utilisant la topologie Sigma Delta pour la précision des mesures de courants à la fois continus et alternatifs. Il est titulaire d'une licence en génie électrique et électronique (BEEE) de l'University College de Cork (UCC).