Personnaliser les composants analogiques de la boucle de commande numérique

L'accélération du déploiement des systèmes électriques et électroniques pour les technologies mobiles, automobiles et Internet des objets (IoT), combinée à des fenêtres de commercialisation de plus en plus étroites, a entraîné un besoin de tests plus rapides et plus économiques des circuits intégrés qui prennent ces technologies en charge.

Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire de disposer de plateformes de test de circuits intégrés automatisées, plus flexibles et plus modulaires, et de réduire le nombre de composants afin de faire des économies de coûts et d'espace.

Pour répondre à ces exigences, les concepteurs délaissent les contrôleurs analogiques classiques au profit de boucles de commande numériques facilement programmables pour assurer la stabilité de la boucle. Bien que le contrôleur numérique élimine les résistances, les condensateurs et les commutateurs, la résolution et la précision du convertisseur analogique-numérique (CAN) et du convertisseur numérique-analogique (CNA) influencent considérablement la précision globale de l'architecture de boucle de commande numérique.

Cet article présente brièvement les avantages d'une boucle de commande numérique. Il aborde ensuite les défis liés à la mise en œuvre, telles que les sources d'erreur de temporisation et de bruit du convertisseur, et la manière de les gérer en respectant soigneusement les spécifications de débit et de rapport signal/bruit (SNR) d'un CAN, et de temps de stabilisation et de densité spectrale de bruit du CNA.

Il présente ensuite l'AD4630-24 d'Analog Devices, un CAN à registre d'approximations successives (SAR) de 24 bits, et l'AD5791, un CNA à sortie en tension d'Analog Devices. Ces deux dispositifs, lorsqu'ils sont combinés, peuvent former la base d'un contrôleur numérique extrêmement précis et flexible pour les mesures d'instrumentation de précision.

Boucle de commande numérique

Dans les systèmes d'ingénierie, les contrôleurs garantissent un comportement en régime permanent et transitoire satisfaisant. Une implémentation de contrôleur analogique comporte des entrées et des sorties analogiques où les signaux existent sur un intervalle de temps continu, avec des valeurs dans une plage d'amplitude continue. Un capteur mesure la variable contrôlée et compare son comportement à un signal de référence. L'action de contrôle de test utilise un signal d'erreur, qui est la différence entre la valeur de référence et la valeur réelle (Figure 1).

Figure 1 : Un contrôleur de moteur de système analogique utilise divers amplificateurs (U1-U5) et une série de valeurs de résistances et de condensateurs prédéterminées. (Source de l'image : Quora)

Intuitivement, les contrôleurs à sortie analogique continue semblent supérieurs aux contrôleurs numériques avec leurs valeurs de sortie échantillonnées (Figure 2).

Figure 2 : Système de mesure utilisant une configuration de contrôleur numérique avec un CNA, deux CAN, des amplificateurs analogiques et des commutateurs. (Source de l'image : Bonnie Baker)

La logique voudrait que les variables de contrôle ou les sorties dans un contrôleur analogique qui changent continuellement permettent d'atteindre un meilleur contrôle que les mesures qui changent périodiquement dans les structures numériques.

Cette déduction est correcte. En supposant que tous les autres facteurs de contrôle numérique et analogique sont identiques, le contrôle analogique est supérieur au contrôle numérique. Alors, pourquoi faire évoluer le contrôleur classique de l'analogique vers le numérique ? Les cinq raisons sont la précision, les erreurs d'implémentation, la flexibilité, la vitesse et le coût.

Précision : La représentation numérique des signaux analogiques se fait en termes de zéros et de uns, avec jusqu'à 32 bits généralement utilisés pour représenter une seule valeur analogique (Figure 2). Ces conversions créent une petite erreur de quantification numérique qu'il faut corriger. Les signaux analogiques, quant à eux, sont exposés à des dérives de l'alimentation et à des bruits externes qui dégradent le signal analogique. Ces dérives analogiques liées à la température et au temps sont difficiles et coûteuses à contrôler, alors que les effets du vieillissement et de la température sur les contrôleurs numériques sont négligeables.

Erreurs d'implémentation : Les erreurs d'implémentation sont négligeables dans le contrôleur numérique. En effet, le traitement numérique des signaux de commande utilise des valeurs numériques stockées pour les fonctions d'addition et de multiplication, plutôt que des composants analogiques avec leurs erreurs de dérive de température, et la précision immédiate peu fiable des résistances, condensateurs et inductances. En outre, les paramètres de constantes de temps d'un contrôleur numérique peuvent être facilement modifiés dans le logiciel, alors qu'un contrôleur analogique dispose d'un nombre fixe de constantes de temps. Les modifications du contrôleur numérique peuvent être effectuées à la volée, ce qui permet à l'instrument de s'adapter à diverses conditions de charge et d'améliorer le rendement de test global.

Flexibilité : Les contrôleurs analogiques présentent des difficultés de flexibilité. Une fois la conception matérielle achevée, les modifications du circuit imprimé prennent du temps et sont coûteuses. Avec un contrôleur numérique, les modifications sont faciles à mettre en œuvre — jusqu'au remplacement complet du code. De plus, il n'y a aucune contrainte sur la forme ou la structure du contrôleur numérique, et des structures de contrôleur complexes impliquant des options arithmétiques supplémentaires sont facilement réalisables.

Vitesse : Les performances de calcul continuent d'augmenter de manière exponentielle. Cette augmentation permet d'échantillonner et de gérer des signaux à très hauts débits, et l'intervalle entre les échantillons ne cesse de se réduire. Les performances d'un contrôleur numérique moderne sont équivalentes à celles d'un système de contrôle analogique continu.

Coût : Grâce aux progrès de la fabrication de semi-conducteurs, le coût des circuits intégrés continue de baisser, ce qui rend les contrôleurs numériques plus économiques — même pour les petites applications à faible coût.

Défis de l'implémentation analogique pour les contrôleurs numériques

Le CAN et le CNA se situent à la frontière des domaines analogique et numérique, qui présentent tous les deux des caractéristiques électriques diverses. La solution consiste à découvrir les spécifications complémentaires entre les deux dispositifs pour qu'ils puissent coexister dans le même système. Du point de vue du débit du système, il est essentiel de déterminer avec précision les caractéristiques de vitesse et de bruit du transfert global.

Estimations de temporisation des CAN et CNA

Il existe généralement une définition claire du débit du CAN en méga-échantillons par seconde (Méch./s) ou en kilo-échantillons par seconde (Kéch./s). Le temps de cycle en fréquence Hertz est l'inverse du débit en secondes. Le temps de cycle est le temps nécessaire au convertisseur pour échantillonner, acquérir, numériser et préparer les données pour la conversion suivante. Ce temps est également le temps de conversion minimum dans une application de conversion continue. Les unités de spécification définissent la vitesse de conversion d'un mot de sortie complet. Par exemple, si le CAN a une broche de sortie série numérique et que le convertisseur a 24 bits, la conversion 24 bits complète de l'entrée analogique est transmise avant le début d'une autre conversion (Figure 3).

Figure 3 : Le schéma de temporisation du CAN illustre le nombre de codes numériques que le convertisseur accepte. (Source de l'image : Analog Devices)

Un CAN avec une spécification de 2 Méch./s produit un mot complet toutes les 500 nanosecondes (ns). Malheureusement, ce seul échantillon de conversion ne donne pas une image complète d'un signal d'entrée analogique. Selon le théorème de Nyquist, le CAN doit produire un minimum de deux échantillons pour permettre la génération du signal d'entrée analogique. Au minimum, pour respecter le théorème de Nyquist, ce processus nécessite donc deux fois 500 ns ou 1 microseconde (µs) de temps. Il s'agit d'un nombre minimum d'échantillons pour créer un squelette du signal analogique. Quatre ou huit échantillons sont préférables pour recréer numériquement un signal analogique.

En ce qui concerne les spécifications du CNA, le temps de stabilisation de la tension de sortie du CNA est le temps qu'il faut à la tension de sortie pour se stabiliser à un niveau spécifié pour une variation spécifiée de la tension (Figure 4).

Figure 4 : Un CNA présente une erreur de temps de stabilisation qui capture le temps requis pour atteindre la valeur finale. L'erreur de temps de stabilisation la plus grave se produit typiquement lorsque la sortie se situe entre les codes d'entrée 100 000 et 011 111 ... (Source de l'image : Analog Devices)

En utilisant la Figure 4 comme exemple de CNA, le temps de stabilisation dans le pire des cas est inférieur à 1 µs. L'inverse mathématique de cette valeur est égal à 1 MHz, qui est également égal à 1 Méch./s. Pour respecter les critères de Nyquist, le CNA doit produire deux échantillons de sortie nécessitant deux fois 1 µs de temps, soit 2 µs, et comme pour le CAN, plus il y a d'échantillons, mieux c'est.

Et maintenant, la dernière chose sur le théorème de Nyquist. Selon ce théorème, la reproduction d'un signal requiert un minimum de deux échantillons. Dans ce scénario, le théorème n'identifie que la fréquence du signal. C'est là que le théorème nécessite l'application d'un peu de bon sens. Les échantillons plus volumineux sont plus longs à collecter, mais ils permettent une reconstruction plus fiable du signal.

Estimations du bruit de fréquence des CAN et CNA

Pour définir le bruit, il faut comprendre la résolution réelle du convertisseur et le bruit efficace (RMS). L'affirmation de la résolution du convertisseur, telle que 24 bits, 20 bits ou 1 ppm, décrit le nombre de sorties ou d'entrées CAN ou CNA. Par exemple, un CAN de 24 bits génère 24 codes de sortie par conversion, et un CNA de 20 bits collecte 20 valeurs d'entrée numériques pour une conversion. Mais avec ces valeurs, il n'y a pas de définition de la précision de fréquence du convertisseur.

La définition de la précision d'un convertisseur repose sur des spécifications de bruit telles que le rapport signal/bruit ou le bruit efficace. Une spécification CAN pour le bruit sur la gamme de fréquences de sortie est une valeur SNR typique en décibels (dB). Le SNR est calculé à l'aide de l'Équation 1 :

 Équation 1

La fiche technique du CAN ou du CNA définit la plage de sortie du dispositif. Le bruit est la somme des carrés (RSS) cumulés sur la bande de fréquences du convertisseur.

La résolution RMS est calculée à l'aide de l'Équation 2 :

 Équation 2

Pour un CAN avec un SNR de 105,7 dB, la résolution RMS est de 17,6 bits, ce qui signifie que le convertisseur peut gérer la précision de manière fiable à ce niveau. La spécification de bruit CNA est généralement une valeur de densité spectrale de bruit, ce qui facilite la conversion rapide de la résolution RMS réelle du CNA. Le bruit de sortie du CNA est calculé à l'aide de l'Équation 3 :

 Équation 3

Par exemple, si un CNA de 20 bits a une densité spectrale de bruit de 7,5 nanovolts/√Hz (nV/√Hz) et une largeur de bande de 500 kilohertz (kHz), la valeur DAC_Noise est égale à 5,3 µV (RMS). À partir de cette valeur, la résolution RMS du CNA avec une plage de sortie de 5 volts (V) est égale à 19,8 bits.

Contrôleur numérique et instrumentation de précision

Un exemple de système de test de dispositifs de contrôleur numérique pour les circuits de tests mobiles, automobiles et IoT comporte neuf composants plus une résistance discrète (Figure 5). Les composants dans ce circuit incluent un microprocesseur, un CAN, un CNA, un amplificateur d'attaque, un amplificateur de mesure à gain ajustable et un commutateur SPDT ADG1236 d'Analog Devices. Le microprocesseur gère les interfaces numériques et les données entre le CAN et le CNA, tels que l'AD4630-24 et l'AD5791 d'Analog Devices, respectivement.

Figure 5 : Un contrôleur numérique utilise un microprocesseur pour gérer les données depuis et vers le CAN et le CNA. Le CNA requiert un amplificateur d'attaque à sortie amplifiée, et le CAN nécessite un système d'amplificateur pour atténuer le signal. (Source de l'image : Analog Devices)

L'AD4630-24 est un CAN de 2 Méch./s, 24 bits à non-linéarité intégrale (INL) de ±0,9 ppm, avec un SNR de 105,7 dB, produisant 17,6 bits (RMS). Avec une vitesse de conversion de 2 Méch./s, ce CAN requiert un minimum de quatre échantillons de sortie pour créer des signaux analogiques. L'INL représente la précision CC du convertisseur.

L'AD5791 est un CNA de 20 bits, à INL de ±1 LSB, temps de stabilisation de 1 µs et densité spectrale de 7,5 nV/√Hz, générant à la fin 19,8 bits (RMS). Ce CNA, à une vitesse de 1 Méch./s, a besoin de 4 µs pour générer des signaux analogiques avec précision.

Les convertisseurs de ce système nécessitent également des interfaces d'amplificateur opérationnel pour gérer la commande de sortie et le gain analogique. Dans la Figure 5, l'AD8675 d'Analog Devices est un amplificateur opérationnel à sortie rail-à-rail de 10 MHz, 2,8 nV/√Hz. Le bruit de cet amplificateur ramène les bits du système CNA à 19,1 (RMS). Cependant, la largeur de bande de l'amplificateur de 10 MHz dépasse la largeur de bande du CNA.

L'amplificateur de mesure à gain programmable entièrement différentiel LTC6373 d'Analog Devices offre un gain et un degré d'isolement. Si l'étage CNA implémente un gain de 4 volts par volt (V/V), l'une des options de gain du LTC6373 est de 0,25 V/V, ce qui ramène le signal à sa valeur d'origine. La flexibilité de niveau de gain numérique du LTC6373 contribue aux caractéristiques à la volée du contrôleur numérique.

Conclusion

La pression des délais de commercialisation et le coût de la prise en charge des exigences de conception en évolution rapide des systèmes de tests électroniques mobiles, automobiles et IoT ont entraîné la transition des contrôleurs analogiques classiques aux boucles de commande numériques. Ces boucles offrent une précision et une flexibilité supérieures à des coûts inférieurs, mais elles nécessitent une attention particulière quant au choix du CAN et du CNA.

Comme illustré, en associant le CAN SAR 24 bits AD4630-24 d'Analog Devices avec le CNA à sortie en tension 20 bits AD5791 d'Analog Devices, il est possible de créer un contrôleur numérique hautement précis et flexible pour les mesures d'instrumentation de précision.