15 septiembre 2008

Las señales analógicas en el diseño de sistemas de adquisición de datos

Un nuevo artículo dedicado a la que consideramos la mejor estrategia de automatización para conseguir aumentar la productividad industrial de una forma sencilla. Nos referimos, como no, a la adquisición de datos. En este artículo abordamos en detalle las especificaciones de diseño que deben tenerse en cuenta al tratar señales analógicas en los sistemas de adquisición de datos. Un conocimiento detallado de las señales analógicas y los efectos en la conversión de datos que pueden producirse en un ambiente industrial nos ayudará a conocer con antelación los problemas que pueden producirse en el proyecto.
El equipamiento de adquisición analógica es el corazón de cualquier sistema de adquisición de datos. Microprocesadores, procesadores de señales digitales, memoria, programas originales, drivers de software, sistemas operativos, y aplicaciones de software puede formar el cerebro de un sistema, pero su eficiencia no es mayor que la de los circuitos analógicos. Para construir un sistema que tenga la velocidad necesaria, resolución, y exactitud para una aplicación dada, es necesario encontrar la combinación correcta de convertidores de datos analógicos, amplificadores operacionales, multiplexores, y referencias de voltaje.
En un circuito de un sistema de adquisición de datos, la trayectoria de una señal comienza en los conectores de entrada. La mayoría de los sistemas de adquisición de datos tienen alguna forma de protección colocada antes de los circuitos analógicos. Para ello se utilizan componentes tales como fusibles o diodos de bloqueo limitan el voltaje o corriente que entra en un sistema, protegiendo de esta forma a los componentes de posibles daños.
Los sistemas convencionales de adquisición de datos raramente se diseñan con un único canal de medición. Los multímetros digitales (DMMs), por ejemplo, disponen típicamente de un solo canal, pero es posible combinar un DMM con un relé e incrementar el recuento de canales. Cualquiera de los sistema de adquisición de datos, ya sea placa de conexión, módulos USB, o sistemas autónomos, pueden tener un ADC (convertidor analógico-digital) dedicado por canal, o pueden tener un simple ADCcon un multiplexor (mux) conectado a canales múltiples. El uso de un ADC dedicado para cada canal permite al sistema muestrear simultáneamente en todos los canales.
Después del multiplexor (si está incluido en el sistema), se utiliza un amplificador de ganancia programable (PGA). El PGA amplifica o atenúa el voltaje de entrada de las fuentes de señales, como por ejemplo los sensores, y de esta forma se consigue un mejor acoplamiento en el rango de voltajes de entrada del ADC. En algunos sistemas de adquisición de datos se incluye un segundo amplificador operacional que añade voltaje de compensación, u offset, DC a la señal de entrada. El voltaje de compensación se utiliza para cambiar la señal de forma que se centre en el rango de entrada admitido por el ADC. El rango del voltaje de entrada del ADC, por lo tanto, tiene una influencia destacable en la elección del PGA.
Otra opción posible es el uso de circuitos de bloqueo para proteger el ADC. Justamente antes del ADCE, la mayoría de los diseñadores de sistemas de adquisición de datos añaden un filtro anti-solapamiento de paso bajo. Con este filtro conseguimos limitar el ancho de banda de la trayectoria de la señal y es la última opción para conseguir minimizar el solapamiento antes de que el ADC digitalice la señal.
Para conseguir digitalizar con éxito las señales analógicas, los ADC necesitan un voltaje de referencia, Vref. Algunos convertidores ADCs, utilizan referencia interna y otros referencia interna. Algunos ingenieros defienden la utilización de referencias de voltaje externas argumentando que son más estables que las internas. Otra ventaja de las referencias externas es que puede ajustarse la ganancia de la trayectoria de entrada mediante el control del voltaje de la referencia ADC. Si el voltaje es demasiado alto, la solución es proporcionar Vref mayor.
Respecto a la forma de la salida digital de un ADC, ésta puede tener forma serie o paralelo. El bus serie proporciona un rendimiento mejorado debido a que son menos las líneas que cambiarán de estado en un momento dado, lo cual minimiza el rebote en las líneas de energía y de tierra y reduce el ruido del sistema. También debemos tener en cuenta que las interfaces serie funcionan con velocidades de reloj más elevadas que los buses paralelos para el mismo número de bits, es necesario direccionar las señales para mantener bajo el ruido.

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

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