Cómo los instrumentos modulares de alto rendimiento permiten más aplicaciones y un factor de forma más pequeño

Tras generaciones de instrumentos de sobremesa personalizados, la transición continúa hacia instrumentos modulares que ofrecen más flexibilidad, control de software y factores de forma más pequeños. Sin embargo, sigue siendo un reto reducir el consumo de energía al tiempo que se cumplen los objetivos de ruido y precisión de las mediciones.

Uno de los elementos del cambio de los instrumentos de sobremesa es la capacidad de permitir la movilidad. Los grandes sistemas personalizados y de bastidores tienen limitaciones logísticas. Descomponer el equipo del armario/escritorio en nodos más pequeños permite una configuración personalizada y optimiza los instrumentos para el entorno y la geografía del lugar de la prueba o del sujeto. Mejorar la movilidad de los instrumentos de medida dividiéndolos en nodos más pequeños reduce los problemas de cableado e instalación. Es más fácil cablear las conexiones a los instrumentos móviles locales que llevar largos cables a un bastidor central o a un instrumento de sobremesa. Se recupera el tiempo dedicado a comprobar el cableado y a reparar las conexiones mal hechas. A pesar de la evolución de los factores de forma, la necesidad de un rendimiento óptimo de las pruebas, la certeza y la precisión sigue siendo.

Áreas de aplicación

Un instrumento de plataforma modular con un alto rango dinámico es el equivalente a una cinta métrica del siglo XXI. El instrumento proporciona la capacidad de medición necesaria para apoyar la innovación, la investigación y el desarrollo en una amplia gama de especialidades.

Estas diversas aplicaciones tienen un número igualmente diverso de canales. Los módulos estándar de 8 canales para aplicaciones industriales se amplían hasta 512 canales y más para la medición de EEG. Es esencial escalar el diseño de medición del front-end para un gran número de canales, manteniendo el muestreo simultáneo. Esta es la base de los datos que impulsan una generación de investigación, desarrollo, producción y operación final

La creación de paquetes de factor de forma más pequeño, manteniendo la densidad del canal de medición, requiere eficiencia energética. Aumentar el rango dinámico del convertidor analógico-digital (ADC) y de la cadena que lo precede hasta los 110 dB, controlando al mismo tiempo el consumo de energía, es una batalla constante. Encontrar un equilibrio entre el rango dinámico, el ancho de banda de entrada y el consumo de energía no es fácil

Ha surgido un nuevo subsistema ADC apoyado en las capacidades del AD7768 y el AD7768-4. Permite digitalizar en anchos de banda más amplios con mayor precisión que antes, y hacerlo con fidelidad y muestreo sincronizado en varios canales. También proporciona herramientas para facilitar los retos térmicos y encontrar el equilibrio adecuado entre el rango dinámico, el ancho de banda de entrada y el consumo de energía en el diseño de sistemas modulares de alto rango dinámico

Huella térmica reconfigurable, ancho de banda de medición programable por software

El AD7768 puede adaptarse a la situación de medición. El calor, la reducción del espacio aéreo y la falta de refrigeración activa son limitaciones de los instrumentos modulares, que el AD7768 facilita con modos de funcionamiento incorporados para un escalado de potencia rápido, medio y ecológico. Para un ancho de banda de entrada determinado, el usuario puede decidir gastar más o menos energía, reduciendo así el calor dentro del módulo. Un ejemplo sería la digitalización con un ancho de banda de entrada de 51,2 kHz. Este ancho de banda es popular para el análisis basado en la FFT, ya que proporciona un tamaño de bandeja entero en la salida de la FFT. El AD7768 tiene un filtro digital de pared de ladrillo que enmarca el ancho de banda de entrada necesario. Un bajo ancho de banda de ondulación y una banda de transición pronunciada se combinan con una atenuación total en las frecuencias justo por encima de 51,2 kHz, lo que significa que no hay repliegue alrededor de la frecuencia de Nyquist. En el caso del AD7768, el usuario puede elegir funcionar en modo rápido o medio. La decisión está entre el consumo de corriente y el rango dinámico, según lo que sea más limitante para el sistema. Echemos un vistazo:

El equilibrio entre el rango dinámico y el consumo de corriente se demuestra aquí utilizando los siguientes parámetros básicos: MCLK = 32,768 MHz, filtro pasabanda de baja ondulación ("pared de ladrillo"), velocidad de datos de 128 kSPS para cada modo, digitalización de un ancho de banda de entrada de 50 kHz con una onda sinusoidal de entrada de 1 kHz a -0,5 dB del fondo de escala. Las figuras 1 y 2 muestran la comparación del rendimiento del ADC: una versión digital de baja distorsión excepcional de la onda sinusoidal de entrada analógica. Pasar al modo de rango medio reduce el consumo de corriente a costa de un compromiso de 3 dB en el ruido y el rango dinámico.

Tabla 1. Digitalización y creación de una FFT para un ancho de banda de 51,2 kHz. Elige el mayor rango dinámico o el menor consumo de corriente

Modo de alimentación	±0,005 dB Ancho de banda (kHz)	Rango dinámico1 (Entrada en cortocircuito) dB	SNR (dB) 1 kHz -0,5 dB Onda sinusoidal	THD (dB)	Consumo de corriente del ADC todos 8-Ch2 (mA)
Rápido	51.2	111	109.5	<-120 dB	113
Mediana	51.2	108	107.8	<-120 dB	70
1Notaalgunos vendedores expresan este número como SNR (ruido de entrada cortocircuitado). El AD7768 comprueba con una onda sinusoidal completa, ejerciendo el rango de referencia completo necesario para una verdadera SNR. 2 Incluye topes de entrada analógica de precarga. Los búferes de precarga reducen la corriente de entrada analógica en relación con la amplitud de entrada y facilitan el manejo de las entradas analógicas para el amplificador conductor anterior. El AD7768 ofrece una clara ventaja en términos de distorsión cuando se activan los tampones de precarga.

En el caso de un ancho de banda de medición típico de 51,2 kHz, el usuario puede optar por reducir la corriente o maximizar el rango dinámico del ADC. El escalado de potencia no sólo se aplica al ADC, sino que también tiene un efecto en el circuito de controladores antes del ADC. Como se muestra en la figura 3, el subsistema también incluye un amplificador conductor, que suele incluir el acondicionamiento de la señal para el antialiasing.

A cada uno de los modos de alimentación se le puede asociar una selección de amplificadores con diferente consumo de energía. La tabla ilustra que un diseño inicial para el modo rápido puede escalarse posteriormente para su uso en los modos medio o eco con la misma huella básica, pero reasignada para un menor consumo de corriente.

Tabla 2. Correspondencia entre los modos de potencia del ADC y las soluciones eficientes de los amplificadores del conductor

Modo de alimentación	Amplificador	Amplificador Entrada de corriente de 8 canales (mA)	Comentario
Rápido	ADA4896-2	48	Mejor equilibrio entre el ruido y la distorsión
	ADA4807-2	16	Reduce el consumo de corriente, compensa la distorsión (rápido)
Mediana	ADA4807-2	16	Slew y GBW adicionales en comparación con el ADA4805, bajo consumo de corriente, mayor ruido; véase la figura 4 para el rendimiento de la FFT
	ADA4940-1	10	Amplificador totalmente diferencial, de un extremo a otro o de entrada/salida a otro ; ver la Figura 5 para el rendimiento de la FFT
	ADA4805-2	10	Reducción de la corriente, velocidad de exploración y GBW comparado con el ADA4807-2
Eco	ADA4940-1	10	Amplificador totalmente diferencial, desequilibrado a diff o diff in/out
	ADA4807-2	16	Slew y GBW adicionales, baja potencia consumo actual
	ADA4805-2	10	Reducción de la corriente, velocidad de exploración y GBW comparado con el ADA4807-2
	ADA4084	9	Utilizar con la precarga activada - alto rendimiento, bajo consumo de corriente consumo actual

El cambio a un amplificador de menor potencia en modo medio reduce aún más el consumo de corriente. El rendimiento del ADA4807-2 o del ADA4940-1 en modo medio se muestra en la Figura 4 y en la Figura 5 al digitalizar CA y CC con un ancho de banda de entrada de 50 kHz.

La posibilidad de ajustar y escalar el consumo de energía del subsistema de medición tiene dos ventajas. En primer lugar, la flexibilidad del escalado de potencia incorporado permite mejorar el rango o la duración de la medición sobre la marcha (por ejemplo, si el módulo se alimenta con pilas). En segundo lugar, permite crear un diseño de plataforma básico que puede definirse y adaptarse a anchos de banda de medición y puntos de rendimiento específicos para desarrollar un instrumento personalizado que satisfaga el reto de medición exacto del cliente final.

Ancho de banda y latencia de entrada configurables por software - Aplicación a grupos de canales

Además de utilizar el AD7768 para escalar el consumo de corriente y el rango dinámico del ADC, también hay un filtrado configurable, que puede adaptarse a la situación de medición. Los filtros murales de baja ondulación son ideales para proporcionar precisión de ganancia en un amplio rango de frecuencias. Su desventaja es el largo tiempo de integración/promedio. Como resultado, el retardo de grupo es relativamente grande para el AD7768, del orden de 34 ciclos de datos antes de ver la versión digitalizada de la entrada analógica. Para dar una escala de tiempo relativa, cuando se opera en modo rápido a 250 kSPS, cada ciclo de conversión de datos es de 4 μs, por lo que el retraso de grupo es de 136 μs. Esto puede no ser tolerable en los lazos de control o en aplicaciones que pueden priorizar la respuesta rápida sobre la precisión de la ganancia en frecuencia. Para permitir estas mediciones de alto rango dinámico para los lazos de control, se puede utilizar el filtro sinc5. Este camino reduce el retardo de grupo en un factor de 10 en comparación con el filtro de banda ancha.

Una capacidad útil del AD7768 es que puede permitir al usuario mezclar tipos de filtro entre canales. Cada ADC puede asignarse a uno de los dos grupos de canales. A continuación, se puede asignar cada grupo a uno de los dos filtros y ajustar su velocidad mediante una de las seis tasas de decimación disponibles. Esta característica permite realizar diferentes tipos de mediciones en los ocho ADC y configurarlos a través de la sintonización del software, de forma similar al escenario en el que cada ADC era discreto. Por ejemplo, al supervisar un gran activo industrial, el usuario puede querer medir la salida de CC de un transmisor de 4mA a 20mA o un transmisor de salida de tensión al mismo tiempo que mide el sensor de vibración en otro canal de entrada analógica. La respuesta de corriente continua puede leerse en el transmisor e introducirse en el bucle de control, mientras que la vibración se mide en un canal separado, pero simultáneo. La combinación del ancho de banda de entrada y la capacidad de latencia es la base para crear un instrumento personalizado de gran valor para los entornos industriales: un único instrumento que realiza la doble función de ejecutar las variables del proceso e integrar la información de las vibraciones de la planta, todo ello en un único sistema y de forma simultánea.

El alto rendimiento con alta velocidad y la escalabilidad de bajo consumo permiten factores de forma y casos de uso modernos

El cambio de la instrumentación grande y fija a dispositivos más móviles y flexibles sigue ganando popularidad. Ofrecen un valioso potencial para el desarrollo avanzado y la innovación en una amplia gama de industrias, mercados y aplicaciones. Aunque existen retos como el rango dinámico, el ancho de banda de entrada y el consumo de energía, los ADCs avanzados están ayudando a mitigarlos y dan a los diseñadores una herramienta con mayores capacidades que antes.