28 julio 2008

Salvando obstáculos de diseño en proyectos de adquisición de datos

Lo primero que debemos hacer para mejorar la productividad industrial de nuestra planta de producción es obtener datos de los procesos y los flujos de materiales, fluidos, señales, productos, etc. Estos datos debidamente procesados y analizados nos aportarán una información realmente vital e imprescindible para el desarrollo de nuestra actividad productiva. La captura de datos será asimismo más importante conforme aumente el tamaño y complejidad de la planta, pero también tiene resultados relevantes en instalaciones de pequeña o moderada dimensión. En este capítulo describimos la forma de realizar la captura de datos analógicos y comentamos algunos problemas que suelen surgir en este tipo de proyectos. Hay que tener en cuenta que los entornos industriales son especialmente perturbadores de los dispositivos electrónicos, por lo cual la elección de las configuraciones adecuadas debe seleccionarse estudiando el problema con rigor.

La sección de adquisición analógica es el corazón del sistema de adquisición de datos. Los microprocesadores, procesadores de señales digitales, memoria, firmware (chips que conservan la información sin energía eléctrica), drivers, sistemas operativos, y software forman el sistema, pero necesitan los circuitos analógicos. A la hora de plantear el diseño de un sistema es preciso estimar velocidad, resolución, y exactitud para una aplicación dada. Es preciso encontrar la combinación adecuada de convertidores analógicos a digital (ADC), amplificadores operacionales, multiplexores (dispositivo que puede recibir varias entradas y transmitirlas por un medio de transmisión compartido), y referencias de tensión.

La trayectoria de la señal analógica suele iniciarse en los conectores de entrada, donde suele incluirse también alguna forma de protección del circuito antes de los circuitos analógicos. Pueden usarse fusibles o diodos de bloqueo para limitar el voltaje o corriente que entra en el sistema, y protegiéndolos de esta forma de posibles fallos.

Los sistemas de adquisición de datos normalmente necesitan diferentes canales de medición. Sin embargo, los multímetros digitales (DMMs) tienen típicamente un solo canal, pero puede combinarse un DMM con relés para incrementar el número de canales. Los sistemas de adquisición de datos, ya sea utilizando cuadros de conexión, módulos USB, o sistemas independientes, pueden tener un ADC por canal, o pueden tener un único ADC con un multiplexor (mux) conectado a múltiples canales. El uso de un ADC para cada canal permite al sistema obtener simultáneamente muestras en todos los canales.

Detrás del multiplexor, un amplificador de ganancia programable (PGA) amplifica o atenúa el voltaje de entrada que obtenemos con un sensor u otra fuente de señal, y de esta forma adaptamos la señal al rango del voltaje de entrada del ADC. Algunos sistemas pueden incluir un segundo op amp que añade un voltaje de compensación de corriente continua a la señal de entrada. El voltaje de compensación cambia la señal para que esté más centrada en el rango del ADC. El rango del voltaje de entrada del ADC, por lo tanto, tiene una influencia fundamental en la elección del PGA.

Pueden también usarse circuitos de bloqueo adicionales para proteger el ADC. Justo antes del ADC, en la mayoría de los casos se añade un filtro anti-baja frecuencia de paso bajo. Este filtro tiene como finalidad limitar el ancho de banda de la trayectoria de la señal y es la última opción para minimizar los elementos de baja frecuencia antes de que el ADC digitalice la señal.

Otra cuestión a tener en cuenta, es que para conseguir una digitalización exitosas, el ADC necesita un voltaje de referencia, V ref. Algunos ADCs tienen una referencia interna la vez que otros usan fuentes externas de referencia. Normalmente la fuente de referencia externa es más estable que la interna. Otra ventaja de la referencia externa es que es posible ajustar la ganancia de la trayectoria de entrada controlando el voltaje de referencia ADC. Es decir, si el voltaje es demasiado alto, será preciso que la Vref sea más alta.

La salida digital del ADC puede estar en serie o paralelo. El bus serie ofrece un mejor rendimiento analógico porque pocas líneas cambian de estado a un tiempo dado, lo cual minimiza el rebote en las líneas de energía y tierra y reduce el ruido total del sistema. Pero ya que la interface serie funciona con velocidades de reloj más altas que los buses paralelo para el mismo número de bits, es necesario señalar la ruta cuidadosamente para conseguir minimizar el ruido.

Elección del ADC

La elección del ADC más adecuado para nuestro diseño nos obligará a considerar numerosas consideraciones adicionales. La mayoría de los ADC usados en adquisición de datos usan arquitecturas de registro de aproximación sucesiva (SAR) o sigma-delta (ΣΔ). En general, la arquitectura SAR actúa a más velocidad, mientras que la arquitectura ΣΔ produce resultados de mayor resolución. Si es necesaria una resolución superior a 18-bit, será necesario utilizar un convertidor ΣΔ.

Los niveles obtenidos en las muestras y los voltajes de suministro de energía del ADC determinarán el tipo de circuitos apoyos que deben usarse. Si nos centramos por ejemplo en los voltajes de alimentación, la mayoría del os ADCs están diseñados con procesos CMOS más que procesos bipolares. Los dispositivos CMOS necesitan considerablemente menos energía que los dispositivos bipolares. En efecto, si los sistemas bipolares pueden necesitar 12-15 V, los CMOS trabajan con 5-4-3,3, 2,5 y 1,8 V. Aunque en voltajes tan bajos el consumo se reduce, también se comprime el rango dinámico del ADC. También las perturbaciones electromagnéticas deben tenerse en cuenta en este punto, pues afectarán mucho más a sistemas de 4 v que a sistemas de 12 v. Será necesario contemplar previsiones adicionales de ruido si se trabaja con voltajes tan pequeños. Para conseguir aumentar el rango dinámico, las señales deberían ser del nivel más alto posible y situadas alejadas en el canal analógico tanto como sea posible.

Consideraciones de diseño

Los diseñadores de sistemas de adquisición de datos industriales deben buscar estos rangos dinámicos más amplios y utilizar mayores voltajes en los op amp y ADC. Consecuentemente, los fabricantes de ADC han desarrollado convertidores de datos CMOS que operan a 16 v. Estos dispositivos pueden manejar entradas de sensores de hasta 15 voltios, lo cual es muy interesante para minimizar los efectos del ruido industrial. Otra compensación que puede realizarse cuando manejamos un rango dinámico bajo es digitalizar la señal del sensor tanto como sea posible. Los ADC de alta velocidad han bajado mucho de precio por lo que podemos manejar bien este sobremuestreo. En condiciones de sobremuestreo, pueden utilizarse filtros digitales para reducir el ruido. Cuanto más se pueda sobremuestrear y filtrar, más mejorará la inmunidad al ruido, pero el sistema será más lento. Sobremuestreando por 22n y usando un filtro de promediado digital se conseguirá mejorar el rendimiento del ruido. En la siguiente tabla se listan las necesidades de sobremuestreo necesarias para mejorar el rendimiento del ruido para un número de bits dado.

Sobremuestreo para mejorar el rendimiento ante el ruido para un número de bits determinado

Mejora del ruido (bits, n)

Sobremuestreo (22n)

1

4

2

16

3

64

4

256

Los ADCs y op amps de bajo voltaje necesitan ser alimentados por suficiente corriente de alimentación para mantener la señal estable durante la conversión de datos. También hay que indicar que para mejorar el rango dinámico y el rechazo del ruido, es conveniente usar entradas diferenciales en el sistema de adquisición de datos. Por último, indicar que muchos sistemas de adquisición de datos tienen un multiplexor que añade canales. La resistencia y capacitancia en un multiplexor puede afectar la integridad de la señal. Por ejemplo, la inyección de carga desde un multiplexor puede convertir señales de corriente continua en señales de corriente alterna. La resistencia y capacitancia en un multiplexor puede afectar la integridad del sistema.

Bibliografía: Design tradeoffs in data acquisition. Test & Measurement world. July 2008

Palabras clave: clamping diode, anti-aliasing filter, successive-approximation register (SAR), digital filtering.

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