Elección de un ADC
Los procesos industriales difieren mucho entre sí: señales, velocidades, condiciones ambientales, etc. Es consecuentemente importante analizar en detalle el proceso para optar por la elección correcta del ADC más adecuado para nuestra aplicación. La elección de ADC lleva a que deban tenerse en cuenta numerosos sacrificios de diseño, y es necesario incluso tener en cuenta en detalle la arquitectura del sistema. Por ejemplo, los sistemas de adquisición de datos utilizan registro de aproximación sucesiva (SAR) o arquitectura delta-sigma (∑∆). Comparativamente, los sistemas SAR generan más velocidad que los ADCs (∑∆), pero las arquitecturas (∑∆) producen resoluciones más finas. Consecuentemente, si la resolución que necesitamos es mayor de 18-bit, necesitaremos un convertidor ∑∆. Los niveles de muestreo que requieren nuestro proceso y los voltajes de suministro de energía del ADC determinarán el tipo de circuitos de soportes que podemos usar. Consideremos, por ejemplo, el voltaje de alimentación. La mayoría de los ADCs están fabricados con procesos CMOS, en vez de con procesos bipolares, y es conocido que los procesos CMOS operan con unos requerimientos de potencia considerablemente menores que los dispositivos bipolares.
Aunque los bajos voltajes reducen el consumo de potencia, también comprimen el rango dinámico del ADC. Un ADC que opera a 12 voltios tiene seis veces el rango dinámico de un dispositivo de 0-4 voltios. Consecuentemente, la misma cantidad de ruido impactará en el sistema de 12 voltios mucho menos que un sistema de 4 V. El ruido que entra en un ADC debe mantenerse menor de 1 el bit menos significativo (LSB). Es por ello necesario utilizar un amplificador operacional con un nivel de ruido consistente con el rango dinámico de un LSB en frente del ADC. Eso significa que será necesario un menor nivel de ruido en un ADC de 24 voltios que en un ADC de 16 bits. Para conseguir el mejor rango dinámico, las señales de nivel alto se extenderán en el canal analógico tan lejos como sea posible. El DMMs de Keithley, por ejemplo, proporciona la mejor exactitud en el rango de los 10 voltios, donde no se necesita ni amplificación ni atenuación de la señal entrante.
Entremos en detalle en el conocimiento de las señales analógicas
Como consecuencia del mejor rango dinámico que ofrecen las tensiones más altas, muchos diseñadores de sistemas de adquisición de datos demandan estos voltajes para sus convertidores de datos y amplificadores operacionales. Como consecuencia de ello, los fabricantes de ADC han desarrollado convertidores CMOS que operan a 16 voltios. Estos dispositivos pueden manejar entradas de sensores de hasta 15 voltios. Otra compensación para el rango de dinámica bajo es digitalizar la señal del sensor tan pronto como sea posible. Los ADCs de alta velocidad han bajado de precio hasta el punto de que el sobre-muestreo tiene sentido. Con el sobre-muestreo, los diseñadores pueden utilizar filtrado digital para reducir el ruido. Cuanto más se sobre-muestrea y se filtra, más se mejorará la inmunidad al ruido, pero el sistema será más lento. A continuación del ADC, un filtro digital de respuesta de impulso finito (FIR) reduce el ruido y extrae el espectro de interés. Seguidamente, extrae una parte de los datos o aplica una media para conseguir que el nivel sea aceptable para la aplicación. Los ADCs de bajo voltaje y los amplificadores operacionales necesitan suficiente corriente para mantener la señal estable durante la conversión de los datos. Muchos diseños fallan porque se recogen referencias que no tienen la intensidad suficiente. Una referencia de voltaje puede necesitar tanto corriente fuente como de suministro. Un ADC puede tener una impedancia de entrada dinámica y puede necesitar una fuente de señal de baja impedancia que proporcione el suficiente acoplamiento como para mantener el nivel de voltaje de referencia. Los convertidores SAR necesitan una fuente de impedancia de salida muy baja para prevenir la variación de la señal de salida durante la conversión. Debido a que los ADCs SAR presentan usualmente una carga altamente dinámica en su fuente de alimentación, todos los dispositivos deben colocarse cuidadosamente en paralelo. El acoplamiento correcto del amplificador operacional al ADC es una cuestión crítica. Un amplificador operacional con el rendimiento requerido para alcanzar las especificaciones del ADC puede consumir varias veces la corriente que usa el ADC. La entrada de referencia en el ADC se comporta de forma similar a como lo hace la señal de entrada. Los dispositivos de baja potencia tales como las referencias de voltaje pueden necesitar compensadores o amortiguadores para mantener su salida a un nivel estable cuando el ADC muestrea su referencia. Deben usarse también condensadores en paralelo de resistencia serie equivalente baja (preferente condensadores cerámicos antes que de tántalo). Un condensador debe cargar o descargar lo bastante rápido como para alimentar la suficiente corriente de pico a un ADC durante un ciclo de conversión. Una ESR alta incrementará el tiempo de carga y descarga del condensador.
Entradas diferenciales
Para mejorar el rango dinámico y el rechazo del ruido, es recomendable usar entradas diferenciales en el sistema de adquisición de datos. Muchos sistemas de adquisición de datos tienen un multiplexor que añade canales. La resistencia y capacitancia en un multiplexor puede afectar la intensidad de la señal. Por ejemplo, la inyección de carga de un multiplexor puede las señales DC en señales AC .
Bibliografía: The analog signal path is full of tradeoffs and decisions that affect overall performance. Test & Measurement World. August 2008.
Palabras clave: Data-acquisition systems, digital multimeters (DMMs), analog-to-digital converter (ADC), programmable-gain amplifier (PGA), successive-approximation register (SAR), sigma-delta architecture (∑∆), least-significant bit (LSB), Digital finite impulse response filter (FIR), equivalent-series resistance (ESR), anti-aliasing filter
0 comentarios:
Publicar un comentario