Dopo generazioni di apparecchiature di misurazione e test da banco personalizzate, la transizione continua verso strumenti portatili caratterizzati da maggiore flessibilità, controllo software e fattori di forma ridotti. In questo articolo, scopri come la nuova tecnologia dei componenti ad ampiezza di banda media di Analog Devices sta abilitando una nuova generazione di strumentazione mobile ad alte prestazioni.
Aree applicative
Uno strumento per piattaforma modulare con gamma dinamica elevata è l'equivalente del 21° secolo del nastro di misurazione. Lo strumento offre la capacità di misurazione necessaria per guidare l'innovazione, la ricerca e lo sviluppo in un ampio spettro di specialità.
- Test condotti nei settori di ricerca e sviluppo della scienza dei materiali, dall'analisi strutturale delle pale di un mulino a vento, alla salute, al benessere e all'uscita elettrica della sua turbina.
- Misurazione delle uscite dei trasduttori piezoelettrici/estensimetri, condizionamento di queste tensioni e analisi quantitativa dell'integrità strutturale e sviluppo dei materiali e garanzia di misurazioni chiare senza interferenze.
- Misurazioni del rumore all'interno dell'abitacolo. La digitalizzazione dell'uscita dei microfoni posizionati nell'abitacolo durante lo sviluppo del prototipo, fino a consentire loop di controllo più veloci e più precisi che aumentano la produttività negli stabilimenti.
- Test elettrici:
- Misurazione audio che consente lo sviluppo di altoparlanti e moduli microfoni avanzati per il funzionamento e il controllo attivati tramite voce.
- Test elettrico ATE su dispositivi elettronici attivi e passivi, dove la velocità e l'accuratezza delle misurazioni parametriche sono correlate al costo del test.
- L'EEG richiede una gamma dinamica estremamente elevata in un'ampiezza di banda specifica vicina alla CC. È necessaria meno energia per racchiudere centinaia di canali di misurazione simultanei in un fattore di forma ridotto.
A queste numerose applicazioni corrispondono canali altrettanto numerosi. I moduli standard a 8 canali nelle applicazioni industriali diventano a 512 canali e oltre per una misurazione ECG. La scalabilità del progetto di misurazione front-end a un numero elevato di canali, pur mantenendo il campionamento simultaneo, ha assunto un'importanza fondamentale. È la base dei dati che guidano una generazione di attività di ricerca, sviluppo, produzione e funzionamento.
La creazione di alloggiamenti a fattori di forma ridotti, mantenendo la densità dei canali di misurazione, richiede un'efficienza energetica elevata. L'aumento della gamma dinamica del convertitore analogico-digitale (ADC, Analog-to-Digital Converter) e la catena che lo precede a 110 dB, mantenendo sotto controllo il consumo di corrente è una lotta permanente. Il bilanciamento della gamma dinamica, dell'ampiezza di banda in ingresso e del consumo di corrente non è un compito facile.
È stato messo a punto un nuovo sottosistema ADC supportato dalle funzionalità dei dispositivi AD7768 e AD7768-4. Questo sottosistema consente di digitalizzare ad ampiezze di banda maggiori con un'accuratezza mai così elevata, con fedeltà e campionamento sincronizzato su più canali. Offre, inoltre, gli strumenti necessari per attenuare i problemi di natura termica e trovare il giusto equilibrio tra gamma dinamica, ampiezza di banda in ingresso e consumo di corrente nel progetto del sistema modulare a gamma dinamica elevata.
Footprint termico riconfigurabile, ampiezza di banda di misurazione programmabile tramite software
Il dispositivo AD7768 è in grado di adattarsi alla situazione di misurazione. Il calore, la diminuzione dello spazio aria e l'assenza di un raffreddamento attivo sono tutti vincoli degli strumenti modulari che il dispositivo AD7768 attenua attraverso modalità operative integrate per una scalabilità della potenza veloce, mediana ed ecologica. Per un'ampiezza di banda in ingresso specificata, l'utilizzatore potrebbe decidere di utilizzare una quantità maggiore o minore della potenza, riducendo il calore all'interno del modulo. Un esempio è dato dalla digitalizzazione su un'ampiezza di banda in ingresso pari a 51,2 kHz. Questa ampiezza di banda è comune per l'analisi basata su FFT poiché fornisce dimensioni di bin intere nell'uscita FFT. Il dispositivo AD7768 rappresenta un filtro digitale (muro di mattoni) che delimita l'ampiezza di banda in ingresso richiesta. Una banda passante a bassa ondulazione e una banda di transizione ripida si combinano all'attenuazione completa a frequenze appena superiori a 51,2 kHz, il che si traduce nell'assenza di foldback dalla frequenza Nyquist. Per il dispositivo AD7768, l'utente può scegliere di lavorare in modalità veloce o mediana. Occorre scegliere tra consumo di corrente e gamma dinamica, a seconda di quale è più vincolato per il sistema. Diamo un'occhiata:
Figura 1. Digitalizzazione dell'ampiezza di banda in ingresso di 50 kHz. Prestazioni in modalità rapida, FFT che mostra le prestazioni con il controllo di ADA4896-2. (AD7768 in modalità veloce con dec × 64 fornisce una velocità di uscita di 128 kSPS) precarica del buffer di ingresso analogico attivata.
Figura 2. Digitalizzazione dell'ampiezza di banda in ingresso di 50 kHz. Prestazioni in modalità media, FFT che mostra le prestazioni con il controllo di ADA4896-2. (AD7768 in modalità mediana con dec × 32 fornisce una velocità di uscita di 128 kSPS) precarica del buffer di ingresso analogico attivata.
L'equilibrio tra gamma dinamica e consumo di corrente è illustrato qui con le seguenti impostazioni di base:
MCLK = 32,768 MHz, filtro passabanda a bassa oscillazione ("muro di mattoni"), rate dati pari a 128 ksps per ogni modalità, digitalizzazione di 50 kHz di ampiezza di banda in ingresso con un'onda sinusoidale in ingresso pari a 1 kHz a −0,5 dB nella scala completa. Nella Figura 1 e nella Figura 2 vengono messe a confronto le prestazioni ADC: una versione digitale a bassa distorsione dell'onda sinusoidale dell'ingresso analogico. La transizione alla modalità mediana consente un consumo di corrente inferiore in cambio di un compromesso su rumore e gamma dinamica di 3 dB.
Tabella 1. Digitalizzazione e creazione di una FFT per un'ampiezza di banda pari a 51,2 kHz. Scegliere la gamma dinamica più elevata o il consumo di corrente più basso
1 Alcuni fornitori esprimono questo numero come SNR (shorted input noise). Test AD7768 con un'onda sinusoidale completa, esercitando la gamma di riferimento completa necessaria per un SNR effettivo.
2 Include buffer in ingresso analogici pre-carica. I buffer pre-carica riducono la corrente in ingresso analogica rispetto all'ampiezza in ingresso e rendono più agevole la conduzione degli ingressi analogici per l'amplificatore del driver precedente. Il dispositivo AD7768 offre un vantaggio preciso in termini di distorsione con i buffer pre-carica attivati.
Nel caso di un'ampiezza di banda di misurazione classica pari a 51,2 kHz, l'utilizzatore può scegliere di ridurre la corrente o di ottimizzare la gamma dinamica dell'ADC. Non solo la scalabilità della potenza si applica all'ADC, ma si ottiene un effetto domino sul circuito dell'amplificatore del driver prima dell'ADC. Come illustrato nella Figura 3, il sottosistema include un amplificatore del driver, che in genere include il condizionamento dei segnali per l'antialiasing.
Figura 3. Scalabilità della potenza del sottosistema ADC: lo spazio dell'amplificatore del driver può essere ripopolato con amplificatori a corrente inferiore in combinazione con la scalabilità della potenza del sottosistema ADC.
Una selezione di amplificatori con consumi energetici diversi può essere associata a ognuna delle modalità energetiche. Nella tabella si illustra che un progetto iniziale per la modalità veloce può essere scalato in seguito per l'utilizzo in modalità mediana o ecologica con lo stesso spazio di base, ma con il nuovo obiettivo di un consumo di corrente inferiore.
Tabella 2. Associazione delle modalità di potenza ADC a soluzioni di amplificatori del driver efficaci
La scalabilità a un amplificatore di potenza inferiore con la modalità mediana consente di ridurre ulteriormente il consumo di corrente. Le prestazioni associate all'utilizzo del dispositivo ADA4807-2 o ADA4940-1 nella modalità mediana sono illustrate nella Figure 4 e nella Figura 5 quando si digitalizza la corrente CA e CC su un'ampiezza di banda in ingresso di 50 kHz.
Figura 4. Prestazioni in modalità mediana. FFT che mostra le prestazioni con ADA4807-2 che aziona il buffer di ingresso analogico di precarica dell'ADC.
Figura 5. Prestazioni in modalità mediana. FFT che mostra le prestazioni con ADA4940-1 che aziona il buffer di ingresso analogico di precarica dell'ADC.
La possibilità di regolare e ridimensionare il consumo energetico del sottosistema di misurazione offre due vantaggi. Innanzitutto, la flessibilità del ridimensionamento della potenza integrato consente di migliorare al volo l'intervallo di misurazione o la durata della misurazione (ad esempio, se il modulo è alimentato da una batteria). In secondo luogo, consente di creare un progetto di piattaforma di base che può essere configurato e adattato per specifiche ampiezze di banda di misurazione e punti prestazionali, in modo da sviluppare uno strumento personalizzato per soddisfare l'esatta sfida di misurazione del cliente finale.
Ampiezza di banda in ingresso e latenza configurabile tramite software e relativa applicazione a gruppi di canali
L'AD7768 non solo può essere utilizzato per scalare il consumo di corrente e la gamma dinamica dell'ADC, ma è anche disponibile un filtro configurabile, adattabile alla misurazione in questione. I filtri a bassa oscillazione sono ideali per garantire l'accuratezza a livello del guadagno su un'ampia gamma di frequenze. Lo svantaggio è il prolungamento del tempo di integrazione/media. Ne consegue un ritardo di gruppo relativamente ampio per il dispositivo AD7768, nella gamma di 34 cicli di dati prima di vedere la versione digitalizzata dell'ingresso analogico. Per fornire una scala temporale relativa, quando si esegue in modalità veloce a 250 kSPS, ogni ciclo di conversione dei dati è di 4 μs quindi il ritardo di gruppo è di 136 μs. Questo potrebbe non essere tollerabile nei cicli di controllo o nelle applicazioni che potrebbero prediligere la risposta rapida sull'accuratezza a livello di guadagno rispetto alla frequenza. Per consentire queste misurazioni a gamma dinamica elevata per i cicli di controllo, è possibile utilizzare il filtro sinc5. Questo percorso riduce il ritardo di gruppo di un fattore di 10 relativamente al filtro a banda larga.
Una funzionalità unica del dispositivo AD7768 è quella che consente a un utente di mescolare i tipi di filtri tra i canali. Ciascun sottosistema ADC può essere assegnato a uno di due raggruppamenti di canali. Ogni gruppo potrà quindi essere assegnato a uno dei due filtri e la relativa velocità impostata attraverso una delle sei velocità di decimazione disponibili. Questa funzionalità consente di effettuare diversi tipi di misurazione negli otto ADC e di configurarli tramite regolazioni software in modo simile a uno scenario in cui ognuno degli ADC era distinto. Uno scenario di esempio è dato dal monitoraggio di una risorsa industriale significativa. L'utente potrebbe voler misurare l'uscita CC da un trasmettitore da 4 a 20 mA o da un trasmettitore di uscita di tensione contemporaneamente alla misurazione del sensore di vibrazione su un altro canale di ingresso analogico. La risposta CC può essere letta dal trasmettitore e inviata al ciclo di controllo, mentre la vibrazione viene misurata su un canale separato, ma simultaneo. Il mix di ampiezza di banda in ingresso e capacità di latenza sono la base per la creazione di uno strumento personalizzato a valore elevato per ambienti industriali: uno strumento che svolge la duplice funzione di eseguire le variabili di processo e integrare le informazioni sulle vibrazioni provenienti dall'impianto, in un unico sistema e contemporaneamente.
Figura 6. Confronto del ritardo di gruppo del filtro sinc5 con filtro a banda larga. Il filtro sinc5 fornisce una risposta rapida ai cambiamenti in ingresso sull'ingresso analogico, adattata alle applicazioni dei cicli di controllo dove la diminuzione della latenza del ciclo è di fondamentale importanza. (Il punto verde rappresenta il campione al tempo del ritardo di gruppo, il punto rosa indica un valore finale da ogni filtro.)
Figura 7. Configurazione di diversi canali ADC per tipi di filtro diversi. Due gruppi: A usa la banda larga, B utilizza sinc. La velocità di decimazione di ogni gruppo può anche essere configurata su SPI.
Prestazioni elevate, velocità elevata scalabile e un basso consumo energetico consentono fattori di forma e casi di utilizzo moderni
La transizione da una strumentazione fissa di grandi dimensioni a dispositivi più flessibili e mobili assume sempre più popolarità. Viene offerto un prezioso potenziale per un processo di sviluppo e innovazione avanzato in un'ampia gamma di settori, mercati e applicazioni. Sebbene persistano problematiche riguardanti la gamma dinamica, l'ampiezza di banda in ingresso e il consumo energetico, i sottosistemi ADC possono contribuire ad attenuarle, offrendo agli sviluppatori uno strumento dotato di grandi funzionalità.
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