Seleccione los componentes adecuados para lograr una resolución de medición de 7.5 dígitos

Los diseñadores de instrumentos se enfrentan al reto de conseguir una resolución de 7.5 dígitos en los sistemas de adquisición de datos de alto rendimiento, incluidos los multímetros digitales (DMM), las balanzas de peso y los registradores sísmicos. Aunque los convertidores analógico-digitales (ADC) de múltiples pendientes se utilizan para instrumentos con resoluciones de hasta 6.5 dígitos, los diseños de mayor resolución se vuelven más difíciles debido a varios límites de especificación de los componentes y a los retos de implementación.

Este artículo investiga cómo las limitaciones de especificación de los componentes analógicos de precisión afectan a la resolución obtenible del instrumento. A continuación, muestra cómo puede conseguirse una resolución de 7.5 dígitos seleccionando cuidadosamente ADC de registro de aproximación sucesiva (SAR), referencias de tensión de alta precisión, redes de resistencias adaptadas y amplificadores de bajo ruido (LNA) y deriva cero de Analog Devices.

Visión general de un front-end digitalizador

Los instrumentos digitales de precisión, como los DMM, utilizan un front-end que convierte las tensiones analógicas en valores digitales. En el núcleo del front-end se encuentra el ADC (figura 1). La mayoría de los ADC tienen un rango de tensión de entrada fijo, por lo que las señales de entrada deben amplificarse o atenuarse para ajustarse a él. Esto requiere amplificadores y atenuadores resistivos. Si se utiliza un ADC SAR, también se necesita una fuente de referencia de tensión de precisión. Todos estos componentes deben seleccionarse teniendo en cuenta un bajo nivel de ruido, una baja deriva de CC y una ganancia estable para maximizar la precisión total del sistema.

Figura 1: Se muestra un diagrama de bloques de un front-end digital para un instrumento de alta precisión, cuyo núcleo es un ADC. (Fuente de la imagen: ADI)

Selección del ADC adecuado

El primer paso para seleccionar un ADC es determinar la resolución de tensión necesaria. Con un instrumento como un DMM, suele especificarse en dígitos. Un típico DMM de sobremesa tendría una resolución de 6.5 dígitos. Esto significa que hay seis dígitos decimales (del 0 al 9) más un medio dígito con valores de 0 ó 1. El rango de lectura sin escala se extiende de +1,999,999 a -1,999,999 recuentos; un total comúnmente denominado resolución de 4,000,000 de recuentos.

El recuento para un dispositivo binario es simplemente dos elevado a la potencia del número de bits. El número de dígitos y el número de bits pueden trazarse uno frente al otro (figura 2), pero no se alinean como múltiplos enteros uno del otro.

Figura 2: Se muestra un gráfico del número de dígitos en función del número de bits calculado tanto para números enteros de bits como para el número de dígitos visualizados. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El elemento común de estos cálculos es el recuento, o número, de valores discretos que representa el dispositivo. El número de dígitos para un recuento dado es simplemente log₁₀ (recuento). El número equivalente de bits de un recuento dado es log₁₀ (recuento)/log₁₀(2) o dígitos/log₁₀(2). Así, la cuenta de 4,000,000 tiene un número equivalente de 21.932 bits.

Unas palabras sobre la resolución y la precisión

Tanto el número de dígitos como el de bits se refieren a la resolución de tensión del instrumento. Un DMM de 6.5 dígitos en el rango de 10 voltios puede medir tensiones de -10 V a +10 V con un recuento de 4,000,000. Esto significa que cada paso es de 5 µV. Se trata de la resolución del aparato, no de la precisión de la lectura. La precisión es una medida de lo cerca que está el valor medido del valor real. Hay muchos factores que afectan a la precisión de la medición, como el ruido, el error de desplazamiento, el error de ganancia y la no linealidad. Todas estas fuentes de incertidumbre surgen en los componentes del front-end del instrumento.

Un típico DMM de 7.5 dígitos en su rango de 10 V puede tener una precisión de 24 horas de 8 partes por millón (ppm) del valor medido más una incertidumbre de 2 ppm para el rango seleccionado (8+2). La precisión nominal a largo plazo durante 1 año puede ser de ±(16+2) ppm. La linealidad del ADC debe estar en el rango de 1.5 ppm y el error de temperatura debe ser tan bajo como 5 ±1 ppm por °C (ppm/°C).

Alcanzar este nivel de precisión requiere comprender las fuentes de error a corto y largo plazo de los componentes necesarios.

ADC para front-ends digitales de alta precisión

La figura 1 muestra un front-end digital típico. Utiliza un ADC SAR de 24 bits que ofrece una alta resolución y una velocidad moderada. Los ADC SAR aplican la señal de entrada a un comparador. La otra pata del comparador recibe una tensión estimada de un convertidor digital-analógico (DAC) accionado por el SAR. El registro tiene tantas etapas como el número de bits del ADC. Comienza generando un voltaje estimado a la mitad del rango de voltaje del ADC. El comparador indica que la entrada es superior o inferior a la tensión estimada basada en la referencia. Si el valor adivinado es menor que el de entrada, se almacena un "1" en el bit de registro; en caso contrario, se almacena un "0".

El registro progresa a través de sus estados secuencialmente, bajando la tensión adivinada en pasos binarios. Cuando la tensión adivinada se acerca lo más posible a la señal de entrada, el proceso se detiene y el registro contiene el código digital igual a la tensión de entrada. A continuación, el ADC emite una señal de conversión completada para leer el código binario.

Tenga en cuenta que el ADC SAR necesita una referencia de tensión precisa y estable para controlar su DAC. En el caso de un instrumento multirrango, el acondicionamiento de la señal también es necesario para garantizar que la entrada del ADC esté lo más cerca posible del rango de escala completa del ADC sin sobrepasarlo.

El AD4630-24BBCZ-RL de Analog Devices es una buena elección para un front-end digital de 7.5 dígitos. Este ADC SAR de 24 bits y doble canal funciona a 2 megamuestras por segundo (MSPS) y admite el funcionamiento monopolar o diferencial. Este ADC utiliza una tensión de referencia de 5 V y presenta una linealidad típica de 0.1 ppm (0.9 ppm máx.). Incluye un filtro de promediado por bloques con una relación de decimación programable que puede reducir significativamente el ruido y ampliar el rango dinámico hasta 153 decibelios (dB) a bajas velocidades de salida. Utilizando el promediado por bloques, consigue un ruido de entrada de 98 nV rms a una velocidad de salida de datos de 60 hercios (Hz), lo que produce una resolución efectiva limitada por el ruido de 7.7 dígitos cuando se hace referencia a la entrada a escala completa.

Referencia de voltaje

Dado que el ADC SAR basa su salida en comparaciones de la tensión de entrada con niveles de tensión derivados de la referencia de tensión, depende en gran medida de la precisión, la estabilidad y el nivel de ruido de dicha referencia. Para favorecer la estabilidad, la tecnología de referencia Zener enterrada consigue una tensión de ruptura muy estable formando el dispositivo en la profundidad del sustrato de silicio. Este enfoque lo aísla de la contaminación superficial, reduce los efectos térmicos y lo hace menos sensible a la tensión y la humedad. Se puede conseguir una mayor estabilidad de la tensión de referencia incluyendo un calentador interno, lo que minimiza aún más el impacto de los cambios de temperatura ambiente.

La referencia de tensión utilizada en la figura 1 es una ADR1001AEZ (figura 3). Se trata de un dispositivo Zener enterrado de alta precisión, controlado en horno, que integra el control del calentador, la fuente de referencia, el amplificador de búfer de salida y todo el acondicionamiento de señal asociado en un único encapsulado, lo que simplifica el proceso de diseño y reduce la huella de montaje.

Figura 3: Un diagrama de bloques funcional del ADR1001AEZ muestra el control del calefactor (izquierda), la fuente de referencia (centro) y el amplificador de búfer de salida (derecha). (Fuente de la imagen: ADI)

La tensión nominal de salida del ADR1001AEZ es de 6.6 V, ajustada con precisión a 5 V ±0.25%, con una corriente nominal de salida de 10 mA. Su calentador en chip mantiene un coeficiente de temperatura inferior a 0.2 ppm/°C. El ruido de salida de 5 V (0.1 a 10 Hz) es de 0.13 ppm pico a pico (p-p), lo que se calcula en 0.65 mV p-p.

Amplificadores para una resolución de 7.5 dígitos

El amplificador de entrada al front-end digital, trabajando con la red de resistencias emparejadas, escala la señal de entrada para que coincida con la tensión de entrada especificada del ADC. Diseñado para proporcionar ganancia o atenuación según sea necesario, este amplificador debe tener una deriva de tensión y un ruido bajos para lograr la resolución deseada de 7.5 dígitos. Para esta tarea, el ADA4523-1 estabilizado por chopper es una buena elección. Se trata de un amplificador de riel a riel de bajo ruido y deriva cero con una tensión de compensación de ±4 µV (máx.) en un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C a 5 V. La baja deriva de CC está garantizada por un circuito de autocalibración que mantiene la deriva de la tensión de compensación con la temperatura por debajo de 0.01 µV por °C (µV/°C).

El ADA4523-1 tiene una relación de rechazo en modo común de 160 dB (típica) y un nivel de ruido de 88 nV p-p (típico) de 0.1 a 10 Hz (figura 4).

Figura 4: Se muestra la forma de onda del ruido de 0.1 Hz a 10 Hz de un amplificador ADA4523-1 típico. (Fuente de la imagen: ADI)

Selección de la red de resistencias adaptadas

Una red de resistencias adaptadas es un paquete único que contiene varias resistencias con propiedades eléctricas adaptadas, como el valor de resistencia, la tolerancia y el coeficiente de temperatura. La resistencia absoluta no es crítica, pero los valores se ajustan con precisión y siguen una amplia gama de temperaturas, por lo que las relaciones de resistencia permanecen constantes.

Por ejemplo, el LT5400BIMS8E-7 (figura 5) es una matriz de cuatro resistencias que incluye dos resistencias de 1.25 kΩ y dos resistencias de 5 kΩ, lo que da una relación de 4:1 y una ganancia de cuatro. Estas resistencias tienen una tolerancia de resistencia nominal de ±15%, pero las relaciones de resistencia están ajustadas a ±0.025%. Debido al embalaje común, la relación de resistencia 4:1 se mantiene a lo largo de la temperatura, con un coeficiente de temperatura de ±25 ppm/°C. La deriva de las relaciones de resistencia con la temperatura es de ±0.2 ppm/°C.

Figura 5: Se muestra un amplificador diferencial con una ganancia de cuatro utilizando el LT5400-7. (Fuente de la imagen: ADI)

La deriva a baja temperatura es esencial porque la ganancia del amplificador se establece por las relaciones de R1 a R2 y de R4 a R3. La adaptación de resistencias estabiliza la ganancia de cada mitad del amplificador y garantiza que las ganancias de las dos mitades coincidan, manteniendo así una elevada relación de rechazo en modo común (CMRR).

Conclusión

Aunque los diseñadores de instrumentos pueden tener dificultades para conseguir una resolución de 7.5 dígitos en los sistemas de adquisición de datos de alto rendimiento, es posible aplicarla eficazmente con los componentes adecuados. Como se muestra, los componentes de alta precisión, baja no linealidad y baja deriva de compensación de Analog Devices, como el ADC AD4630-24BBCZ-RL, la referencia de tensión de precisión ADR1001AEZ, el amplificador ADA4523-1 y la red de resistencias adaptadas LT5400BIMS8E-7, simplifican el diseño de front-end de alto rendimiento.