Selezionare i componenti giusti per ottenere una risoluzione di misurazione a 7,5 cifre

I progettisti di strumenti devono raggiungere una risoluzione a 7,5 cifre nei sistemi di acquisizione dati ad alte prestazioni, quali multimetri digitali (DMM), bilance e registratori sismici. Mentre per strumenti con risoluzioni fino a 6,5 cifre si utilizzano convertitori analogico/digitale (ADC) multi-pendenza, i progetti a risoluzione più elevata diventano più difficili a causa dei limiti delle specifiche dei componenti e delle sfide di implementazione.

Questo articolo analizza come le limitazioni delle specifiche dei componenti analogici di precisione influenzino la risoluzione ottenibile dallo strumento. Viene poi mostrato come sia possibile ottenere una risoluzione a 7,5 cifre selezionando con cura gli ADC a registro ad approssimazioni successive (SAR), i riferimenti di tensione di alta precisione, le reti di resistori abbinati e gli amplificatori a basso rumore (LNA) e a deriva zero di Analog Devices.

Panoramica del front-end di un digitalizzatore

Gli strumenti digitali di precisione, come i DMM, utilizzano un front-end che converte le tensioni analogiche in valori digitali. Il cuore del front-end è l'ADC (Figura 1). La maggior parte degli ADC ha un intervallo della tensione di ingresso fisso, quindi i segnali di ingresso devono essere amplificati o attenuati per adattarsi a tale intervallo. Ciò richiede amplificatori e attenuatori resistivi. Se si utilizza un ADC SAR, è necessaria anche una sorgente di riferimento di tensione di precisione. Tutti questi componenti devono essere selezionati tenendo in considerazione basso rumore, bassa deriva c.c. e guadagno stabile per massimizzare l'accuratezza totale del sistema.

Figura 1: Diagramma a blocchi di un front-end digitale per uno strumento di alta precisione il cui cuore è un ADC. (Immagine per gentile concessione di ADI)

Selezione del filtro giusto

Il primo passo nella scelta di un ADC è la determinazione della risoluzione di tensione richiesta. Con uno strumento come un DMM, di solito è specificata in cifre. Un tipico DMM da banco ha una risoluzione a 6,5 cifre. Questo significa che ci sono sei cifre decimali (da 0 a 9) più una mezza cifra con valori di 0 o 1. L'intervallo di lettura senza scala si estende da +1.999.999 a -1.999.999 conteggi; un totale comunemente indicato come risoluzione a 4.000.000 conteggi.

Il conteggio per un dispositivo binario è semplicemente due elevato alla potenza del numero di bit. Il numero di cifre e il numero di bit possono essere tracciati l'uno rispetto all'altro (Figura 2), ma non sono allineati come multipli interi l'uno dell'altro.

Figura 2: Grafico del numero di cifre in funzione del numero di bit, calcolato sia per numeri interi di bit che per il numero di cifre visualizzate. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

L'elemento comune di questi calcoli è il conteggio, o numero, di valori discreti che il dispositivo rappresenta. Il numero di cifre per un dato conteggio è semplicemente log₁₀(conteggio). Il numero equivalente di bit di un dato conteggio è log₁₀(conteggio)/log₁₀(2) o cifre/log₁₀(2). Quindi, il conteggio di 4.000.000 ha un numero equivalente di 21,932 bit.

Risoluzione e precisione

Sia il numero di cifre che il numero di bit si riferiscono alla risoluzione della tensione dello strumento. Un DMM a 6,5 cifre nell'intervallo di 10 V può misurare tensioni da -10 V a +10 V con un conteggio di 4.000.000. Ciò significa che ogni passo è di 5 µV. Questa è la risoluzione del dispositivo, non l'accuratezza della lettura. L'accuratezza è una misurazione di quanto il valore misurato sia vicino al valore reale. Molti fattori influenzano l'accuratezza della misurazione, come ad esempio il rumore, l'errore di offset, l'errore di guadagno e la non linearità. Tutte queste fonti di incertezza derivano dai componenti del front-end dello strumento.

Un tipico DMM a 7,5 cifre nell'intervallo di 10 V può avere un'accuratezza nelle 24 ore di 8 parti per milione (ppm) del valore misurato più un'incertezza di 2 ppm per l'intervallo selezionato (8+2). L'accuratezza nominale a lungo termine su 1 anno può essere di ±(16+2) ppm. La linearità dell'ADC deve essere dell'ordine di 1,5 ppm e l'errore di temperatura deve essere di appena 5 ±1 ppm/°C.

Il raggiungimento di questo livello di accuratezza richiede la comprensione delle fonti di errore a breve e lungo termine dei componenti richiesti.

ADC per front-end digitali di alta precisione

La Figura 1 mostra un tipico front-end digitale. Utilizza un ADC SAR a 24 bit che offre alta risoluzione e velocità moderata. Gli ADC SAR applicano il segnale di ingresso a un comparatore. L'altro ramo del comparatore riceve una tensione di stima da un convertitore digitale/analogico (DAC) pilotato dal SAR. Il registro ha un numero di stadi pari al numero di bit dell'ADC. Inizia generando una tensione di stima a metà dell'intervallo di tensione dell'ADC. Il comparatore indica che l'ingresso è superiore o inferiore alla tensione di stima basata sul riferimento. Se il valore di stima è inferiore all'ingresso, nel bit del registro viene memorizzato un "1"; altrimenti viene memorizzato uno "0".

Il registro passa attraverso i suoi stati in modo sequenziale, abbassando la tensione di stima in passi binari. Quando la tensione di stima è il più vicina possibile al segnale di ingresso, il processo si arresta e il registro contiene il codice digitale pari alla tensione di ingresso. L'ADC emette quindi un segnale di "conversione completata" per leggere il codice binario.

Si noti che l'ADC SAR richiede un riferimento di tensione preciso e stabile per pilotare il DAC. Per uno strumento multi-intervallo, è necessario anche il condizionamento del segnale per assicurare che l'ingresso dell'ADC sia il più vicino possibile all'intervallo di fondo scala dell'ADC senza superarlo.

Il dispositivo AD4630-24BBCZ-RL di Analog Devices è una buona scelta per un front-end digitale a 7,5 cifre. Questo ADC SAR a 24 bit a due canali funziona a 2 Msps e supporta il funzionamento a terminazione singola o differenziale. Questo ADC utilizza una tensione di riferimento di 5 V e presenta una linearità tipica di 0,1 ppm (0,9 ppm max). Include un filtro di calcolo della media a blocchi con un rapporto di decimazione programmabile che può ridurre significativamente il rumore ed estendere la gamma dinamica a 153 dB a basse velocità di uscita. Utilizzando il calcolo della media a blocchi, raggiunge un rumore riferito all'ingresso di 98 nV rms a una velocità dati in uscita di 60 Hz, ottenendo una risoluzione effettiva limitata dal rumore di 7,7 cifre quando riferita all'ingresso a fondo scala.

Il riferimento di tensione

Poiché l'ADC SAR basa la sua uscita sul confronto tra la tensione di ingresso e i livelli di tensione derivati dal riferimento di tensione, dipende in larga misura dall'accuratezza, dalla stabilità e dal livello di rumore di tale riferimento. Per supportare la stabilità, la tecnologia di riferimento Zener sepolto raggiunge una tensione di rottura molto stabile formando il dispositivo in profondità all'interno del substrato in silicio. Questo approccio lo isola dalla contaminazione superficiale, riduce gli effetti termici e lo rende meno sensibile alle sollecitazioni e all'umidità. Una maggiore stabilità della tensione di riferimento può essere ottenuta includendo un riscaldatore interno, che riduce ulteriormente l'impatto delle variazioni della temperatura ambiente.

Il riferimento di tensione utilizzato nella Figura 1 è un dispositivo ADR1001AEZ (Figura 3). Si tratta di un dispositivo di alta precisione Zener sepolto termostabilizzato che integra il controllo del riscaldatore, la sorgente di riferimento, l'amplificatore buffer di uscita e tutto il condizionamento del segnale associato in un unico contenitore, semplificando il processo di progettazione e riducendo l'ingombro di montaggio.

Figura 3: Diagramma a blocchi funzionali di ADR1001AEZ che mostra il controllo del riscaldatore (a sinistra), la sorgente di riferimento (al centro) e l'amplificatore buffer di uscita (a destra). (Immagine per gentile concessione di ADI)

La tensione di uscita nominale di ADR1001AEZ è di 6,6 V, regolata con precisione a 5 V ±0,25%, con una corrente di uscita nominale di 10 mA. Il riscaldatore su chip mantiene un coefficiente di temperatura inferiore a 0,2 ppm/°C. Il rumore di uscita a 5 V (da 0,1 a 10 Hz) è di 0,13 ppm picco-picco (p-p), che corrisponde a 0,65 mV p-p.

Amplificatori per una risoluzione a 7,5 cifre

L'amplificatore di ingresso al front-end digitale, lavorando con la rete di resistori abbinati, ridimensiona il segnale di ingresso in modo che corrisponda alla tensione di ingresso specificata dell'ADC. Progettato per fornire guadagno o attenuazione secondo le necessità, questo amplificatore deve avere rumore e deriva di tensione bassi per ottenere la risoluzione a 7,5 cifre desiderata. Per questo compito, il dispositivo ADA4523-1 stabilizzato a chopper è una buona scelta. Si tratta di un amplificatore rail-to-rail a basso rumore e deriva zero con una tensione di offset di ±4 µV (max) in un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +125 °C a 5 V. La bassa deriva c.c. è assicurata da un circuito autocalibrante che mantiene la deriva della tensione di offset con la temperatura al di sotto di 0,01 µV/°C.

ADA4523-1 ha un rapporto di reiezione di modo comune di 160 dB (tipico) e un livello di rumore di 88 nV p-p (tipico) da 0,1 a 10 Hz (Figura 4).

Figura 4: La forma d'onda del rumore da 0,1 Hz a 10 Hz di un tipico amplificatore ADA4523-1. (Immagine per gentile concessione di ADI)

Selezione della rete di resistori abbinati

Una rete di resistori abbinati è un singolo contenitore nel quale sono presenti più resistori con proprietà elettriche abbinate, quali valore di resistenza, tolleranza e coefficiente di temperatura. La resistenza assoluta non è critica, ma i valori sono abbinati con precisione e seguono un ampio intervallo di temperatura, per cui i rapporti di resistenza rimangono costanti.

Ad esempio, LT5400BIMS8E-7 (Figura 5) è un array di quattro resistori di cui due da 1,25 kΩ e due da 5 kΩ, con un rapporto di 4:1 e un guadagno di quattro. Questi resistori hanno una tolleranza di resistenza nominale di ±15%, ma i rapporti di resistenza sono abbinati a ±0,025%. Grazie al confezionamento comune, il rapporto di resistenza 4:1 segue la temperatura, con un coefficiente di temperatura di ±25 ppm/°C. La deriva nei rapporti di resistenza con la temperatura è di ±0,2 ppm/°C.

Figura 5: Amplificatore differenziale con guadagno di quattro che utilizza LT5400-7. (Immagine per gentile concessione di ADI)

La bassa deriva termica è essenziale perché il guadagno dell'amplificatore è determinato dai rapporti tra R1-R2 e R4-R3. La corrispondenza dei resistori stabilizza il guadagno di ciascuna metà dell'amplificatore e assicura la corrispondenza dei guadagni delle due metà, mantenendo così un elevato rapporto di reiezione di modo comune (CMRR).

Conclusione

Sebbene per i progettisti di strumenti possa essere difficile ottenere una risoluzione a 7,5 cifre nei sistemi di acquisizione dati ad alte prestazioni, è possibile implementarla efficacemente con i componenti giusti. Come mostrato, i componenti di alta precisione, a bassa non linearità e bassa deriva di offset di Analog Devices, come AD4630-24BBCZ-RL, il riferimento di tensione di precisione ADR1001AEZ, l'amplificatore ADA4523-1 e la rete di resistori abbinati LT5400BIMS8E-7, semplificano la progettazione di front-end ad alte prestazioni.