La solución completa Sensor-to-Bits simplifica el diseño de los sistemas de adquisición de datos industriales

Introducción

En el corazón de muchos sistemas de automatización industrial y control de procesos, los controladores lógicos programables (PLC) supervisan y controlan complejas variables del sistema. Mediante múltiples sensores y actuadores, los sistemas basados en PLC miden y controlan las variables analógicas del proceso, como la presión, la temperatura y el caudal. Los autómatas programables se encuentran en diversas aplicaciones -como fábricas, refinerías de petróleo, equipos médicos y sistemas aeroespaciales- que requieren una gran precisión y un funcionamiento robusto y duradero. Además, el mercado competitivo exige costes más bajos y tiempos de diseño más cortos. Por ello, los diseñadores de equipos industriales e infraestructuras críticas se enfrentan a importantes retos para cumplir los estrictos requisitos de sus clientes en cuanto a precisión, ruido, deriva, velocidad y seguridad. Utilizando un PLC como ejemplo, este artículo muestra cómo el ADAS3022, versátil, de bajo coste y altamente integrado, reduce la complejidad y resuelve muchos de los problemas que surgen al diseñar sistemas de adquisición de datos multicanal, sustituyendo las etapas del front-end analógico (AFE). Este dispositivo de alto rendimiento, ideal para las tarjetas de adquisición de datos industriales de precisión, de instrumentación, de líneas eléctricas y médicas con múltiples rangos de entrada, reduce el coste y el tiempo de comercialización, a la vez que ofrece una huella pequeña y fácil de usar y una verdadera precisión de 16 bits a 1 MSPS.

Ejemplo de aplicación del PLC

La figura 1 muestra una cadena de señales simplificada de un PLC utilizado en sistemas de automatización industrial y control de procesos. El PLC suele incluir módulos de entrada/salida (E/S) analógicos y digitales, una unidad central de procesamiento (CPU) y circuitos de gestión de la energía.

En las aplicaciones industriales, los módulos de entrada analógica adquieren y controlan las señales de los sensores remotos situados en entornos difíciles caracterizados por la temperatura y la humedad extremas, las vibraciones y los productos químicos explosivos. Las señales típicas son las tensiones simples o diferenciales con rangos de escala completa de 5 V, 10 V, ±5 V y ±10 V, o bucles de corriente con rangos de 0 mA a 20 mA, 4 mA a 20 mA y ±20 mA. Cuando hay cables largos con importantes interferencias electromagnéticas (EMI), se suelen utilizar bucles de corriente por su alta inmunidad al ruido.

Los módulos de salida analógica suelen controlar actuadores, como relés, solenoides y válvulas, para completar el sistema de control automatizado. Suelen proporcionar tensiones de salida con rangos de escala completa de 5 V, 10 V, ±5 V y ±10 V y salidas de bucle de corriente de 4 mA a 20 mA.

Los módulos típicos de E/S analógicas incluyen 2, 4, 8 o 16 canales. Para cumplir las estrictas normas de la industria, estos módulos deben estar protegidos contra la sobretensión, la sobrecorriente y las sobretensiones electromagnéticas. La mayoría de los autómatas programables incluyen aislamiento digital entre el ADC y la CPU y entre la CPU y el DAC. Los autómatas de gama alta también pueden incorporar el aislamiento de canal a canal, como especifican las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). Muchos módulos de E/S incluyen rangos de entrada monotemáticos o diferenciales, ancho de banda programable por software y velocidad de datos para cada canal.

En los PLC modernos, la CPU realiza muchas tareas de control de forma automatizada, utilizando el acceso a la información en tiempo real para tomar decisiones inteligentes. La CPU puede incorporar software y algoritmos avanzados, así como conectividad web para la verificación del diagnóstico y la detección de errores. Las interfaces de comunicación más utilizadas son RS-232, RS-485, Ethernet Industrial, SPI y UART.

Implementación discreta del sistema de adquisición de datos

Los diseñadores industriales pueden construir módulos analógicos para PLCs o sistemas de adquisición de datos similares con componentes discretos de alto rendimiento, como se muestra en la Figura 2. Las consideraciones clave de diseño incluyen la configuración de la señal de entrada y la velocidad, exactitud y precisión generales del sistema. La cadena de señales presentada aquí utiliza el multiplexor de bajas fugas ADG1208/ADG1209, el amplificador de instrumentación de ganancia programable (PGIA) de estabilización rápida AD8251, el amplificador de embudo de alta velocidad AD8475, el PulSAR de 18 bits AD7982^® Esta solución ofrece cuatro rangos de ganancia diferentes, pero con señales de entrada máximas de ±10 V, los diseñadores tendrán que preocuparse por los tiempos de conmutación y configuración del multiplexor, así como por otros problemas de acondicionamiento de la señal analógica. Además, conseguir un verdadero rendimiento de 16 bits a 1 MSPS puede ser un gran reto, incluso utilizando estos componentes de alto rendimiento.

El AD7982 especifica una respuesta transitoria de 290 ns desde un paso de escala completa. Así, para garantizar el rendimiento especificado mientras se convierte a 1 MSPS, el PGIA y el amplificador de embudo deben estabilizarse en 710 ns. Sin embargo, el AD8251 especifica un tiempo de asentamiento de 785 ns a 16 bits (0,001%) para un paso de 10 V, por lo que el rendimiento máximo que se puede garantizar para esta cadena de señales será inferior a 1 MSPS.

Una solución integrada simplifica el diseño del sistema de adquisición de datos

Hecho en iCMOS^®el CI de adquisición de datos ADAS3022 de 16 bits y 1 MSPS incorpora un multiplexor de 8 canales de baja fuga, un PGIA de alta impedancia con alto rechazo del modo común, una referencia de precisión de 4,096 V de baja deriva y un ADC de aproximación sucesiva de 16 bits, como se muestra en la Figura 3.

Esta solución completa de sensores de bits utiliza sólo un tercio del espacio de la placa de las implementaciones discretas, lo que ayuda a los ingenieros a simplificar sus diseños y a reducir el tamaño, el tiempo de comercialización y el coste de los sistemas avanzados de adquisición de datos industriales. Al eliminar la necesidad de amortiguar, desplazar el nivel, amplificar, atenuar o acondicionar la señal de entrada, así como las preocupaciones sobre el rechazo del modo común, el ruido y el tiempo de asentamiento, alivia muchos de los retos asociados al diseño de un sistema de adquisición de datos de precisión de 16 bits y 1 MSPS. Ofrece la mejor precisión de 16 bits de su clase (±0,6 LSB típicos de INL), baja tensión de offset, baja deriva por sobretemperatura y rendimiento de ruido optimizado a 1 MSPS (SNR típica de 91 dB), como se muestra en la Figura 4. El dispositivo está especificado en el rango de temperatura industrial de -40°C a +85°C.

El PGIA tiene un amplio rango de entrada en modo común, entradas de alta impedancia real (>500 MΩ) y un amplio rango dinámico, lo que le permite acomodar bucles de corriente de 4-mA a 20-mA, medir con precisión pequeñas señales de sensores y rechazar las interferencias de las líneas de alimentación de CA, los motores eléctricos y otras fuentes (CMR de 90 dB como mínimo).

Un canal de entrada diferencial auxiliar puede admitir señales de entrada de ±4,096 V. Evita las etapas de multiplexor y PGIA, permitiendo una interfaz directa con el ADC SAR de 16 bits. Un sensor de temperatura en el chip puede controlar la temperatura local.

Este alto nivel de integración ahorra espacio en la placa y reduce el coste total de la pieza, lo que hace que el ADAS3022 sea ideal para aplicaciones con limitaciones de espacio, como los equipos de pruebas automáticas, la monitorización de líneas eléctricas, la automatización industrial, el control de procesos, la monitorización de pacientes y otros sistemas industriales y de instrumentación que funcionan con niveles de señal industrial de ±10 V.

La figura 5 muestra un sistema completo de adquisición de datos (DAS) de 8 canales. El ADAS3022 funciona con fuentes de alimentación analógicas y digitales de ±15-V y +5-V, y con una alimentación de E/S lógica de 1,8-V a 5-V. El convertidor de CC a CC ADP1613, de alta eficiencia y baja amortiguación, permite que el DAS funcione con una sola alimentación de 5 V. Configurado como una topología de inductor primario único Ćuk (SEPIC) utilizando ADIsimPower^™ herramienta de diseño, el ADP1613 proporciona las fuentes de alimentación bipolares de ±15 V necesarias para el multiplexor y la PGIA sin comprometer el rendimiento.

El rendimiento del ruido del ADAS3022 y de la cadena de señales discretas se compara en la Tabla 1, que utiliza la amplitud de la señal de entrada, la ganancia, el ancho de banda de ruido equivalente (ENBW) y el ruido referenciado de entrada (IRN) de cada componente para calcular el ruido total de la cadena de señales completa.

Tabla 1. Rendimiento del ruido del ADAS3022 y de la cadena de señales discretas

	ADG1209	AD8251	AD8475	AD7982		Ruido total		ADAS3022	Señal de entrada
Ruido	RTI	RTI	RTI	RTI	SNR	RTITotal	SNR	SNR
	(μV rms)	(μV rms)	(μV rms)	(μV rms)	(dB)	(μV rms)	(dB)	(dB)	(V rms)
Ganancia = 1 (±10 V)	6.56	124	77.5	148	95.5	208	90.6	91.5	7.07
Ganancia = 2 (±5 V)	6.56	83.7	38.8	74.2	95.5	119	89.5	91.0	3.54
Ganancia = 4 (±2,5 V)	6.56	68.2	19.4	37.1	95.5	80.3	86.8	89.7	1.77
Ganancia = 8 (±1,25 V)	6.56	55.8	9.69	18.5	95.5	60.0	83.4	86.8	0.88

El filtro de paso bajo (LPF) unipolar entre el AD8475 y el AD7982 (Figura 2) atenúa el golpe de la entrada del condensador conmutado del AD7982 y limita la cantidad de ruido de alta frecuencia. El ancho de banda a -3 dB (f_-3dB) del LPF es de 6,1 MHz (R = 20 Ω, C = 1,3 nF), lo que permite un ajuste rápido de las señales de entrada mientras se convierte a 1 MSPS. El ENBW del LPF puede calcularse como sigue

ENBW = π/2 × f_-3dB = 9,6 MHz.

Ten en cuenta que este cálculo ignora el ruido de la referencia de tensión y del LPF, ya que no afecta significativamente al ruido total, que está dominado por el PGIA.

Considera un ejemplo utilizando el rango de entrada de ±5 V. En este caso, el AD8251 está configurado para una ganancia de 2. El amplificador de embudo está ajustado a una ganancia fija de 0,4 para los cuatro rangos de entrada, de modo que se aplicará al AD7982 una señal diferencial de 0,5-V a 4,5-V (4 V p-p). El ruido RTI del ADG1208 se deriva de la ecuación de ruido de Johnson/Nyquist en² = 4K_BTR_EN,

donde KB = 1,38 × 10 ²³ J/K, T = 300K, y RON = 270 Ω.

El ruido RTI del AD8251 se deriva de su densidad de ruido de 27-nV/√Hz, tal como se especifica en la hoja de datos, para una ganancia de 2. Del mismo modo, el ruido RTI del AD8475 se deriva de su densidad de ruido de 10-nV/√Hz utilizando una ganancia de 0,8 (2 × 0,4). En cada cálculo, ENBW = 9,6 MHz. El ruido RTI del AD7982 se calcula a partir de su SNR de 95,5 dB, como se especifica en la hoja de datos, utilizando una ganancia de 0,8. El ruido RTI total de toda la cadena de señales se calcula a partir de la raíz cuadrada (rss) del ruido RTI de los componentes discretos. La SNR total de 89,5 dB puede calcularse a partir de la ecuación SNR = 20 log(V_ENrms/RTI_Total).

Aunque el índice de ruido teórico (SNR) y el rendimiento general de la cadena de señal discreta son comparables a los del ADAS3022, especialmente con ganancias bajas (G = 1 y G = 2) y velocidades de datos más bajas (muy por debajo de 1 MSPS), no es una solución ideal. El ADAS3022 puede reducir el coste en un 50% aproximadamente y el espacio de la placa en un 67%, en comparación con la solución discreta, y también puede aceptar tres rangos de entrada adicionales (±0,64V, ±20,48V y ±24,576V) que la solución discreta no puede ofrecer.

Conclusión

La próxima generación de módulos PLC industriales requerirá alta precisión, funcionamiento fiable y flexibilidad funcional, todo ello en un factor de forma pequeño y a bajo coste. El ADAS3022, con una integración y un rendimiento líderes en la industria, admite una amplia gama de entradas de tensión y corriente para accionar diversos sensores en la automatización industrial y el control de procesos. Al encajar perfectamente con los módulos de entrada analógica de los PLC y otras tarjetas de adquisición de datos, el ADAS3022 permitirá a los fabricantes industriales diferenciar sus sistemas al tiempo que satisfacen los estrictos requisitos de los usuarios.

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Referencias

Kessler, Matthew. La topología SEPIC inversa síncrona proporciona una alta eficiencia para los convertidores de tensión Buck/Boost no inversores, Diálogo analógicovol. 44, nº 2, 2010.

Slattery, Colm, Derrick Hartmann y Li Ke. La placa de evaluación del PLC simplifica el diseño de los sistemas de control de procesos industriales, Diálogo analógicovol. 43, nº 2, 2009.

Nota del circuito CN0201. Sistema completo de adquisición de datos multiplexado de 8 canales de una sola fuente con PGIA para niveles de señal industriales.

Tutorial MT-048. Relación entre el ruido del amplificador operacional; ruido 1/f, ruido RMS y ancho de banda de ruido equivalente.