Le prestazioni e l'affidabilità sono determinanti per molte applicazioni per apparecchiature e dispositivi scientifici da campo e da laboratorio (LFS). Tuttavia, le inefficienze connesse alla distinta dei materiali (BOM, bill-of-material) possono incrementare i costi e ridurre la precisione delle misurazioni. Tali inefficienze spesso sono correlate all'origine dei dispositivi della catena di segnale. L'accesso a una soluzione di catena di segnale completa con un'assistenza sull'applicazione da parte di personale esperto e competente di un fornitore di fiducia può garantire l'efficienza del progetto e del sistema e quindi un tempo di commercializzazione rapido, che sarebbe altrimenti difficile da ottenere. Un progetto di riferimento dei "Circuits from the Lab" di Analog Devices, un colorimetro a doppio canale con amplificatori in transimpedenza a guadagno programmabile e rilevamento sincrono digitale, viene utilizzato per dimostrare i vantaggi di una soluzione di catena di segnale completa proveniente da un unico fornitore.
Man mano che si moltiplicano le opportunità di mercato per la produzione di apparecchiature e dispositivi scientifici da campo e da laboratorio (LFS), aumenta anche la pressione affinché tali soluzioni raggiungano il mercato più velocemente. La possibilità di ottenere questi cicli di progetto rapidi, mantenendo al contempo la precisione e l'affidabilità dell'intero dispositivo, si basa in forte misura sull'efficienza della fonte di approvvigionamento di qualità delle parti fondamentali della catena di segnale. Le parti della catena di segnale altamente integrate, quali gli amplificatori e i convertitori da analogico a digitale (ADC), possono portare a una migliore efficienza della distinta dei materiali (BOM, bill-of-material) e quindi a una riduzione dei costi. Inoltre, la possibilità di approvvigionarsi delle parti fondamentali della catena di segnale da un unico fornitore può generare diversi vantaggi in termini di costi e apertura di opportunità per una migliore assistenza per l'applicazione. In ultima analisi, questi fattori potrebbero ridurre il carico sulle risorse di progetto e portare a un progetto con prestazioni migliori in minor tempo.
Didascalia: Il kit Zedboard IoT viene utilizzato per generare un segnale modulato e l'interfaccia per le applicazioni della spettroscopia con la scheda di valutazione per colorimetro a doppio canale, il CN0363, di Analog Devices.
I progetti di riferimento di qualità offrono soluzioni di circuito adattabili a numerose applicazioni
Analog Devices dispone di un'ampia libreria di progetti di riferimento disponibili gratuitamente sul suo sito Web. Questi progetti di riferimento possono essere utilizzati pronti all'uso come soluzioni da circuito, oppure il progettista può ricorrere alle spiegazioni dettagliate al fine di adattare i circuiti a specifiche applicazioni. Tali progetti di riferimento presentano una vasta gamma di parti che possono essere incorporate in apparecchiature per laboratori di precisione o dispositivi da misurazione e test sul campo.
Ad esempio, il Circuit Note 0363 (CN0363), un colorimetro a doppio canale con amplificatori in transimpedenza a guadagno programmabile e rilevamento sincrono digitale, viene realizzato con soluzioni eccellenti di ADC e amplificatore di precisione di Analog Devices. Oltre a questo articolo, esiste un video che presenta il Circuit Note e consente di approfondire il processo.
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Inoltre, attraverso Analog Devices è disponibile anche il codice FPGA per il CN0363.
Il circuito effettua misurazioni della spettroscopia di assorbimento con tre differenti lunghezze d'onda della luce, sfruttando una tipologia di circuito che respinge le fonti di rumore per un risultato estremamente accurato. Tali dispositivi vengono comunemente utilizzati per le apparecchiature e gli strumenti destinati all'analisi chimica e al monitoraggio ambientale da utilizzarsi nella determinazione delle caratteristiche e delle concentrazioni dei campioni liquidi.
Didascalia: Le parti chiave della catena di segnale delle schede di valutazione CN0363, ADA4528-1, ADA4805 e AD7175-2 vengono utilizzate rispettivamente come amplificatori in transimpedenza, amplificatori separatori ad alta velocità di risposta e convertitori di precisione da analogico a digitale.
Le parti chiave della catena di segnale riducono la complessità della distinta dei materiali e potenziano le prestazioni
Il colorimetro a doppio canale è composto da un trasmettitore a tre frequenze della fonte di illuminazione modulata che invia la luce attraverso un campione liquido e questa viene attenuata dalle caratteristiche di frequenza del campione prima di essere ricevuta dai rispettivi fotodiodi. L'ADA4528-1 viene utilizzato come amplificatore di transimpedenza per generare tensione dalla corrente di uscita dei fotodiodi ricevitori. Dato che la corrente di uscita dei fotodiodi può essere molto debole per i liquidi altamente assorbenti, si sfruttano le caratteristiche dell'amplificatore ad azzeramento automatico ADA4528-1 per eliminare gli errori di compensazione e il rumore 1/f, come pure per indurre un rumore a banda larga molto basso. Per evitare i picchi di rumore alla frequenza di azzeramento automatico, questa viene posta a circa 200 kHz, molto distante dall'ampiezza di banda del segnale 3dB dell'amplificatore.
Didascalia: Le due reti separate di resistenza dell'amplificatore di transimpedenza ne consentono la configurazione al fine di ottimizzare l'uscita per i materiali che presentano caratteristiche di assorbimento più alte o più basse.
Sebbene l'ADA4528-1 possa avere una tensione di offset molto bassa, la compensazione, se è negativa, può limitare l'operazione rail-to-rail. Quindi, al fine di non avere necessità di una fornitura di tensione negativa e per essere certi che gli amplificatori di transimpedenza non producano clipping, viene utilizzato l'ADA4805-1 per fornire una tensione di offset tampone su bias di 100 mV all'anodo del fotodiodo. L'amplificatore operazionale ADA4805-1 viene utilizzato come buffer di tensione altamente stabile in grado di gestire carichi capacitativi importanti, inoltre è adatto al disaccoppiamento. La tensione di bias dei fotodiodi e l'uscita del potenziometro digitale AD5201 utilizzate per compensare la corrente LED sono tamponate con l'amplificatore operazionale ADA4805-1.
Viene utilizzato un divisore di fascio per separare le uscite LED rossa, verde e blu (RVB) e inviarle al ricevitore del campione e a un ricevitore di riferimento. Il ricevitore del campione e il ricevitore di riferimento sono composti entrambi da circuiti dell'amplificatore di transimpedenza a guadagno programmabile collegati in uscita a canali separati dell'ADC Σ-Δ a 24-bit e rumore ultrabasso, l'AD7175-2. Al fine di effettuare la campionatura di entrambi i canali entro il tempo di accomodamento di un unico ciclo, l'ADC viene configurato su un rate dati di output di 250 kSPS con un filtro sinc5+sinc1. Questo metodo produce un'efficace velocità di campionatura, per canale, pari a 25 kSPS e un valore di uscita ogni 40 µs.
Didascalia: L'uscita SPI dell'AD7175-2 consente 250 kSPS di dati di riferimento campionati, che vengono utilizzati per generare dati IQ e una comparazione digitale dettagliata dei dati.
Per impedire l'aliasing di frequenze al di sopra di 12,5 kHz, come le armoniche dispari della modulazione d'onda quadra, nella banda passante dell'ADC viene implementata una fase di demodulazione sincrona con un FPGA. Tuttavia, se esiste una fonte di rumore a livello delle frequenze di modulazione, questa verrà riportata alle frequenze fondamentali. Per evitare questa evenienza occorre mantenere un rapporto tra modulazione e frequenza di campionamento secondo l'equazione:
Vantaggi di un amplificatore operazionale input/output rail-to-rail a rumore ultrabasso e deriva zero per la catena di segnale
L'ADA4528-1 è progettato per applicazioni in cui la limitazione degli errori nella catena di segnale è di assoluta importanza, Tra queste vi possono essere numerose applicazioni nel campo medico e dei sensori, in cui le tensioni piccole vengono campionate e convertite. L'amplificatore dimostra un rumore tipicamente basso di 5,6 nV/√Hz a f = 1 kHz e 97 nV p-p a f = da 0,1 Hz a 10 Hz a AV di +100, e una deriva di compensazione molto bassa di 0,015 μV/°C con una tensione di offset massima di 2,5 μV. Queste specifiche sono valide sull'estesa gamma di temperature industriali e il settore automobilistico che va da −40 °C a +125 °C.
In grado di generare un ingresso e un'uscita rail-to-rail (RRIO) con un'ampia gamma di tensione operativa che va da 2,2 V a 5,5 V o di funzionare a doppia alimentazione da +/- 1,1 V a +/- 2,75 V, l'ADA4528-1 offre anche un elevato CMRR minimo di 135 dB e un PSRR minimo di 130 dB. Queste caratteristiche sono di particolare importanza quando si trattano segnali di livello particolarmente basso prossimi al rumore di fondo. Un guadagno elevato di 130 dB e un crossover del guadagno unitario di 4 MHz consentono un alto prodotto di ampiezza del guadagno di 3 MHz a AV = +100 e un'ampiezza di banda -3dB a circuito chiuso di 6,2 MHz.
L'ADA4528-1 è disponibile in pacchetti MSOP e LFCSP a 8 conduttori. Ulteriori informazioni su questa parte e sul pacchetto doppio, ADA4528-2, sono reperibili nella Nota sulle applicazioni AN-1114, "“Lowest Noise Zero-Drift Amplifier Has 5.6 nV/√Hz Voltage Noise Density".
L'amplificatore operazionale rail-to-rail a bassa deriva di compensazione termica, potenza e rumore bassi presenta caratteristiche di velocità di risposta migliorate
L'ADA4805-1 fornisce alte prestazioni con caratteristiche di risparmio di potenza migliorate, specificamente progettato per sistemi di conversione dati ad alta risoluzione a bassa potenza. Tra le applicazioni ideali vi sono la strumentazione a batteria, POS portatili e filtri attivi a micropotenza. Con una bassa corrente quiescente di 495 μA, l'ADA4805-1 è dotato anche di una funzione di spegnimento mediante pin: una volta spento abbassa ulteriormente la corrente d'alimentazione quiescente portandola a 3 μA. Al fine di consentire le funzioni di rapida conversione da analogico a digitale (ADC), il tempo di riavvio dell'amplificatore dallo spegnimento all'accensione completa è di soli 3 μs.
Sebbene l'ADA4805-1 funzioni con una potenza molto bassa, presenta anche un'ampiezza di banda -3dB molto elevata di 105 MHz con una velocità di risposta di 160V/μs e un tempo di accomodamento a 0,1% di 35ns. L'elevata velocità di risposta e il rapido tempo di accomodamento consentono l'utilizzo dell'ADA4805-1 come grande amplificatore separatore di trasmissione a carico capacitativo con eccellenti caratteristiche di disaccoppiamento.
Inoltre, presenta una tensione di offset massima in entrata pari a 125 μV e una deriva di compensazione tipica in entrata pari a 0,2 µV/°C per un'alimentazione compresa tra 3 V e 10 V a +/- 1,5 V, 3 V, 5 V, o +/- 5 V. Sebbene l'ingresso presenti una gamma in modalità comune che va da -Vs - 0,1 V a +Vs - 1V, l'uscita presenta un rumore basso di 5,9 nV/√Hz a 100 kHz e 0,6 pA/√Hz a 100 kHz e una bassa distorsione di −102 dBc/−126 dBc HD2/HD3 a 100 kHz per l'uscita completa rail-to-rail.
Al fine di consentire prestazioni con il minimo rumore sulla vasta gamma di temperature che va da −40 °C a +125 °C per l'industria e il settore automobilistico, l'amplificatore ADA4805-1 è realizzato con il processo bipolare complementare extra veloce di Analog Devices, Inc., e viene proposto nei pacchetti SOT-23 e SC70 molto compatti a 6 conduttori. È inoltre disponibile una versione a doppio amplificatore l'ADA4805-2, in pacchetti MSOP a 8 conduttori e LFCSP a 10 conduttori.
Gli ADCΣ-Δ a rumore basso e accomodamento veloce presentano caratteristiche flessibili per applicazioni scientifiche da laboratorio e da campo
L'AD7175-2 incorpora un ADC Σ-Δ a rumore molto basso e accomodamento veloce, con bit privi di rumore di 17,2 a 250 kSPS, 20 a 2,5 kSPS e 24 a 20 SPS con un INL di +/-1 ppm della gamma completa. L'ADC può essere configurato come convertitore a 2 canali completamente differenziali o a 4 canali pseudo differenziali, con un rate di output da 5 SPS a 250 kSPS. Gli input provenienti dal multiplexer interno vengono fatti passare attraverso dei buffer di ingresso analogico rail-to-rail, che presentano una impedenza elevata.
Sono disponibili diverse opzioni di alimentazione per l'ADC, a 5 V AVDD1 o +/-2,5 V AVDD1/AVSS e 2 V a 5 V AVDD2 e IOVDD, e un assorbimento di corrente tipico di soli 8,4 mA. L'ADC inoltre include una tensione di riferimento on-chip di 2,5 V e una bassa deriva di +/- 2ppm/°C.
L'AD7175-2 integra opportunamente dei blocchi di condizionamento del segnale analogico e digitale che consentono di configurare ogni canale d'ingresso analogico indipendentemente. Ad esempio, il rifiuto a 50 Hz o 60 Hz di 85dB con un tempo di accomodamento di 50 ms a un rate dati di output di 27,27 SPS, è una funzione fornita dai filtri digitali che condizionano il segnale in entrata. Inoltre, sono configurabili indipendentemente per ogni canale anche altre funzioni di elaborazione, tra cui la taratura del guadagno e della compensazione. È possibile utilizzare gli ingressi digitali di controllo GPIO e MUX I/O per controllare il multiplexer di ingresso, oppure l'AD7175-2 può girare ciclicamente in automatico tra gli ingressi, riducendo la complessità del circuito di controllo.
Con un trigger di Schmitt a 3 o 4 fili o un'interfaccia digitale SCLK, l'ADC può effettuare lo scambio dati compatibile con SPI, QSPI, MICROWIRE e DSP. È possibile utilizzare l'oscillatore del clock esterno o interno per il timing, inoltre l'ADC presenta un'uscita del clock interno di riferimento. Queste caratteristiche, unitamente all'ampia gamma di temperature industriali che va da −40 °C a +105 °C, rendono idoneo l'AD7175-2 per applicazioni destinate a controllo dei processi, strumentazione multicanale ad uso medico e scientifico, temperatura e pressione, come pure strumenti per la cromatografia. L'ADC è disponibile in pacchetti TSSOP a 24 conduttori.
Didascalia: L'AD7175-2 presenta numerose caratteristiche di controllo digitale migliorate, nonché funzioni automatizzate, che riducono il numero di parti esterne necessarie.
Conclusione
Con Circuit Note CN0363, Analog Devices è in grado di dimostrare i vantaggi offerti da un fornitore di soluzioni per circuiti con una linea di prodotti sufficientemente diversificata da proporre una soluzione di catena di segnale completa per applicazioni scientifiche da laboratorio e da campo o di altro tipo. Tali vantaggi contribuiscono a ridurre la complessità e i costi della distinta dei materiali, consentendo una riduzione dei tempi di commercializzazione e una facilità di progettazione a beneficio degli ingegneri responsabili del progetto del sistema.