La simulación de la cadena de señales de adquisición de datos simplifica la selección y comprobación de componentes

Diseñar un sistema de adquisición de datos solía significar buscar la combinación adecuada de componentes entre una resma de hojas de datos y solucionar problemas de prototipos improvisados. Ahora, los diseñadores pueden ahorrar tiempo y frustraciones con herramientas de diseño digital que les permiten arrastrar y soltar modelos de componentes como sensores, bloques de acondicionamiento de señales analógicas, convertidores analógico-digitales (ADC) y filtros digitales en una cadena de señales virtual. El software simula la salida de la cadena virtual, lo que permite al diseñador ver cómo afectan los componentes elegidos a resultados como la relación señal/ruido (SNR), la ganancia y el error de offset y la potencia.

La suite de diseño digital de Analog Devices, Inc. (ADI), Precision Studio, incluye Signal Chain Designer, un módulo que ayuda a los diseñadores a simular sus sistemas de adquisición de datos antes de construirlos. En Signal Chain Designer, el usuario elige un sensor, establece los parámetros del modelo e introduce los bloques de circuitos que representan los componentes de la cadena de señales (Figura 1).

Figura 1: El Signal Chain Designer de Precision Studio de ADI permite a los diseñadores elegir un sensor y, a continuación, arrastrar y soltar bloques de circuitos en la cadena para simular componentes de adquisición de datos. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

La señal del sensor debe pasar por varias etapas en su viaje para convertirse en datos fiables y cada etapa consta de uno o más componentes electrónicos o circuitos integrados (CI) que preparan la señal para la siguiente etapa. Las etapas más comunes amplifican la señal analógica, filtran la señal analógica, convierten la señal analógica en digital y filtran la señal digital.

Etapa de amplificación de la señal analógica

Las señales analógicas generadas por los sensores no suelen coincidir con las entradas óptimas del sistema de adquisición de datos. La etapa de amplificación de la señal analógica utiliza amplificadores operacionales (op amps), amplificadores totalmente diferenciales y referencias de tensión, así como componentes pasivos como resistencias, capacitores e inductores, para convertir la señal del sensor en una forma eficiente para el sistema de adquisición de datos.

En Signal Chain Designer, el usuario especifica los tipos de entrada y salida de la etapa de amplificación analógica, la ganancia necesaria y el desplazamiento de nivel requerido para conseguir la entrada de tensión correcta. A continuación, el software crea un circuito que cumple los parámetros especificados utilizando productos ADI y genera un esquema.

Por ejemplo, para el sensor utilizado en la Figura 1 con 1 kΩ de impedancia a 1 kHz y 100 pF de capacitancia, el usuario puede especificar una ganancia de 2 V/V y un desplazamiento de nivel de 2.5 V (Figura 2).

Figura 2: Los usuarios de Signal Chain Designer especifican la configuración, la ganancia, el cambio de nivel y otros parámetros de la etapa de amplificación de la señal analógica. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Según estos parámetros, el software construye un esquema de circuito para la etapa de amplificación de la señal analógica (Figura 3, arriba) que contiene un amplificador operacional ADA4097-2. Los op amps de la familia ADA4097-2 requieren solo 32.5 µA por canal para conseguir un producto de ganancia-ancho de banda (GBP) de 130 kHz para ganancia de tensión de señal grande, con un ruido pico a pico (_P-P) de 1,000 nV entre 0.1 Hz y 10 Hz y una esquina de ruido 1/f típica a 6 Hz.

El software también desarrolla un circuito de referencia para la etapa de amplificación con una referencia de tensión de banda prohibida de precisión LTC6655B-2.5 y un amplificador operacional AD8510 (Figura 3, abajo), ambos de ADI.

Figura 3: Esquema del circuito de la etapa de amplificación de señales analógicas de Signal Chain Designer, basado en las especificaciones del usuario e incluyendo los componentes electrónicos adecuados de ADI. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El LTC6655B-2.5 tiene un ruido de 625 nV_P-P para 0.25 ppm_P-P entre 0.1 Hz y 10 Hz, una precisión máxima de ±0.025% y una deriva de tensión baja de 2 ppm/°C como máximo, lo que garantiza que emite una tensión de señal estable independientemente de las variaciones en la tensión de entrada y la carga. El amplificador operacional de transistor de efecto de campo de unión (JFET) AD8510 suele tener un ruido espectral de 8 nV a 1 kHz, requiere sólo 25 pA de corriente de polarización de entrada y se estabiliza en una banda de error de 0.1% en 500 ns.

Signal Chain Designer también permite al usuario especificar cómo se acondicionan las señales en esta etapa. Los usuarios pueden configurar amplificadores totalmente diferenciales, amplificadores de instrumentación o amplificadores de detección de corriente.

Filtrado de señales analógicas

A continuación, la señal analógica amplificada debe filtrarse para eliminar el ruido y la distorsión introducidos por la amplificación. Los filtros pueden utilizar componentes pasivos como resistencias y capacitores para crear filtros de primer orden con suaves reducciones de -20 dB/década después de la frecuencia de corte. Los filtros de segundo orden y de orden superior suelen ser filtros activos que emplean uno o más amplificadores operacionales para conseguir roll-offs más pronunciados.

La configuración del filtro dictará si atenúa las frecuencias por encima de la frecuencia central, f₀ (paso bajo), por debajo de f₀ (paso alto), fuera de dos frecuencias de corte (paso banda), o fuera de una banda específica de frecuencias (paso banda o muesca). Otros parámetros del filtro, como el factor Q, refinan aún más la respuesta del filtro, definiendo la nitidez de los roll-offs, el comportamiento transitorio y la forma de la banda de paso.

En Signal Chain Designer, los usuarios pueden configurar los parámetros de los filtros simples eligiendo el tipo de filtro y especificando los parámetros clave. El asistente de filtros de Signal Chain Designer también puede diseñar filtros sencillos hasta filtros de tercer orden y superiores e importar el filtro de nuevo al diseño de la cadena de señal digital. En el ejemplo (Figura 4), el usuario opta por un filtro paso bajo con una f₀ de 10 kHz y un factor Q de 0.707. El filtro tipo Sallen-Key seleccionado utiliza un solo amplificador operacional para aceptar una alta impedancia de entrada y emitir una señal de baja impedancia con buena estabilidad.

Figura 4: Los usuarios definen los parámetros de la etapa de filtrado analógico en Signal Chain Designer, incluido el tipo de filtro, f₀, factor Q y ganancia. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Con estos parámetros, Signal Chain Designer genera un circuito que incluye el amplificador operacionales de riel a riel LT6020 de ADI (Figura 5). El LT6020 consume menos de 100 µA, pero aún así puede responder rápidamente a los cambios en la señal de entrada con una velocidad de respuesta de 5V/µs. Tiene una GBP de 400 kHz en su rango de temperatura de -40 °C a +125 °C.

Figura 5: El diagrama del circuito de la etapa de filtrado de la señal analógica generado por Signal Chain Designer especifica un amplificador operacional LT6020 con alta velocidad de giro y bajo consumo como filtro de segundo orden Sallen-Key de paso bajo. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Etapa de conversión analógico-digital

El último paso en el viaje de una señal desde la respuesta del sensor a los datos es la conversión de la señal analógica en una forma digital. Las arquitecturas ADC comunes incluyen el registro de aproximación sucesiva (SAR) para una buena resolución a una velocidad de muestreo moderada y Delta-Sigma (ΔΣ) para una alta resolución a velocidades de muestreo más bajas. Para conseguir la salida digital deseada, los diseñadores deben conocer el tipo de entrada, la resolución del sistema y la velocidad de datos de salida.

Los usuarios especifican estos parámetros en Signal Chain Designer y el software genera un circuito ADC que incluye una referencia de tensión y un filtro pasivo resistivo/capacitivo (RC) en la entrada. Algunos ADC también permiten a los usuarios integrar el filtrado digital o configurar los ADC en modo de alta impedancia (Hi-Z) para diseños más sencillos y de menor consumo.

En el ejemplo (Figura 6), la salida de Signal Chain Designer especificaba la referencia de tensión ADR4525 de ADI y el ADC ΔΣ AD7175-2. El ADR4525 tiene una buena estabilidad de temperatura con coeficientes de temperatura entre 0.8 ppm/°C y 4.0 ppm/°C, y un ruido de salida de 1 µV_P-P a 2.048 V_OUT y 0.1 Hz a 10 Hz. El AD7175-2 es un ADC de 24 bits con un rendimiento de 250,000 muestras por segundo (250 kSPS) y un tiempo de estabilización de 20 µs.

Figura 6: En la etapa de conversión analógico-digital, el diagrama de circuitos del Signal Chain Designer incluye un filtro de entrada RC pasivo, una referencia de tensión y un módulo ADC. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

En cualquier etapa de la cadena de señales, el usuario puede ver una tabla de productos que muestra los componentes alternativos adecuados. Por ejemplo, un diseñador puede optar por sustituir un ADC SAR como el AD4008 por el ADC ΔΣ que se muestra en el ejemplo. El AD4008 consume entre 70 µW a 10 kSPS y 14 mW a 2 MSPS, su potencia máxima. El funcionamiento pseudodiferencial permite una precisión de 16 bits con un diseño simplificado en modo Hi-Z.

Tras la conversión analógico-digital, los diseñadores pueden optimizar la salida introduciendo bloques de filtros digitales en el diseño aguas abajo del ADC en Signal Chain Designer. Las opciones de estos bloques de filtrado digital incluyen promedios, filtros de primer y segundo orden y filtros CIC de media móvil simple.

Tras crear un sistema virtual de adquisición de datos con Signal Chain Designer, los usuarios pueden simular la respuesta en frecuencia, el ruido, el margen de error de CC, la potencia y los rangos de entrada desde el propio software. Para simulaciones más personalizadas, Signal Chain Designer puede crear bancos de pruebas virtuales que pueden editarse y ejecutarse en LTspice.

Conclusión

Herramientas digitales como el Signal Chain Designer de ADI pueden minimizar las conjeturas y la frustración de construir un sistema de adquisición de datos de precisión. Con modelos de una amplia variedad de amplificadores operacionales, referencias de tensión, ADC y otros componentes disponibles en el software, Signal Chain Designer permite a los usuarios ajustar virtualmente sus sistemas de adquisición de datos, lo que garantiza una transición sin problemas a la adquisición e instalación de hardware.