Utilizzare l'isolamento per preservare la precisione e migliorare le prestazioni dell'acquisizione dati

Più l'intelligenza si sposta verso l'edge per risolvere problemi nuovi e complessi, più si fa importante garantire l'affidabilità, la precisione e le prestazioni dell'acquisizione dei dati (DAQ). Ciò richiede che i progettisti forniscano una catena di segnali di precisione isolata tra il segnale acquisito e il processore del sistema.

Garantire l'isolamento in una catena di misurazioni a segnale analogico di precisione è un compito impegnativo. È necessaria un'attenta cura dei dettagli per mantenere le prestazioni della catena di segnali, nonostante i fattori di disturbo del segnale e l'inevitabile deriva termica. Per molti progettisti, può essere utile comprendere meglio i problemi insiti nella scelta prima di utilizzare la tecnologia di isolamento appropriata.

Questo articolo esamina i vari problemi associati allo sviluppo e all'ottimizzazione di un sistema DAQ isolato di fascia alta, dove la denominazione "di fascia alta" comprende attributi di precisione, accuratezza, integrità del segnale e coerenza. Presenta quindi le soluzioni DAQ a catena di segnali di Analog Devices e mostra come utilizzarle per formare un sistema di questo tipo.

Ottimizzazione di ciascun blocco funzionale

Un tipico sistema DAQ è costituito da una serie di blocchi funzionali che consentono il passaggio del segnale dal sistema fisico attraverso un sensore. Da qui, passa a un front-end analogico (AFE) per il condizionamento del segnale, a un convertitore analogico/digitale (ADC) per la digitalizzazione e quindi a un sistema di lettura o di controllo basato su computer, che può variare da un microcontroller a un sistema molto più grande (Figura 1).

Figura 1: Un sistema DAQ consiste in una catena di segnali lineare e ben definita che va dal sistema fisico misurato e dal sensore al processore host. (Immagine per gentile concessione di Bill Schweber)

La precisione e l'accuratezza del DAQ dipendono dalla selezione dei componenti di condizionamento del segnale front-end, in particolare del preamplificatore del trasduttore. Le prestazioni a basso rumore sono uno dei fattori critici per questa funzione, poiché il rumore interno è difficile da ridurre in un secondo momento nella progettazione e sarà amplificato insieme al segnale desiderato. Qui viene stabilito un rapporto segnale/rumore (SNR) di base, che inevitabilmente si deteriora ulteriormente quando il segnale passa attraverso altri stadi.

Per questo motivo, gli AFE utilizzano spesso un amplificatore operazionale a funzione singola ottimizzato per il rumore. Una buona scelta per il preamplificatore front-end è il modello ADA4627-1BRZ-R7 di Analog Devices, un amplificatore operazionale JFET a 30 V (doppia alimentazione ±15 V), ad alta velocità, basso rumore e bassa corrente di polarizzazione. Tra le sue numerose specifiche ottimizzate per i sensori, presenta una bassa tensione di offset di 200 µV (massima), una deriva di offset di 1 μV/°C (tipica) e una corrente di polarizzazione di ingresso di 5 pA (massima). La specifica del rumore di tensione critica è di 6,1 nV/√Hz a 1 kHz (Figura 2).

Figura 2: L'amplificatore operazionale JFET ADA4627 presenta un rumore di tensione di 6,1 nV/√Hz (1 kHz). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'isolamento comporta molteplici vantaggi

Una volta che il segnale è stato amplificato e digitalizzato, il passo successivo consiste nello stabilire l'isolamento galvanico tra il segnale e la sezione digitale del sistema e il processore associato. Le ragioni principali di questa fase sono tre:

1. Riduzione del rumore e delle interferenze: l'isolamento galvanico può eliminare le variazioni di tensione di modo comune, gli anelli di massa e le interferenze elettromagnetiche (EMI). Inoltre, impedisce alle sorgenti di rumore esterne di alterare il segnale acquisito, garantendo misure più pulite e precise.
2. Eliminazione degli anelli di massa: gli anelli di massa possono introdurre differenziali di tensione che causano distorsioni del segnale misurato. L'isolamento interrompe il percorso dell'anello di massa, eliminando così le interferenze causate dalla variazione dei potenziali di massa e migliorando l'accuratezza della misurazione.
3. Sicurezza e protezione: le barriere di isolamento garantiscono la sicurezza elettrica impedendo che picchi di tensione, transitori o sovratensioni pericolose raggiungano i sensibili componenti di misurazione. Questo protegge i circuiti di misurazione e i dispositivi collegati, garantendo un funzionamento sicuro e affidabile. Inoltre, tali barriere eliminano il rischio elettrico per gli utenti nel caso in cui il sensore di basso livello tocchi anche solo brevemente una linea ad alta tensione o c.a.

Sono disponibili diverse tecniche per implementare l'isolamento dei segnali digitali basate su principi magnetici, ottici, capacitivi e persino RF. Analog Devices offre una famiglia di soluzioni ad alte prestazioni, tra cui l'isolatore digitale a cinque canali ADUM152N1BRZ-RL7 basato sulla tecnologia proprietaria iCoupler dell'azienda (Figura 3).

Figura 3: L'isolatore digitale a 5 canali ADuM152N utilizza un'implementazione proprietaria di accoppiamento magnetico per ottenere prestazioni elevate. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questi isolatori combinano circuiteria CMOS ad alta velocità e tecnologia monolitica con trasformatore in aria. Per garantire prestazioni adeguate alle esigenze dei collegamenti digitali ad alta velocità, il ritardo di propagazione massimo è di 13 ns con una distorsione dell'ampiezza dell'impulso inferiore a 4,5 ns a 5 V, mentre l'adattamento da canale a canale del ritardo di propagazione è di soli 4,0 ns (massimo). È disponibile una versione simile a due canali, ADUM120N1BRZ-RL7, che consente di adattare il numero complessivo di canali isolati alla larghezza del bus.

Questi isolatori sono ottimizzati per prestazioni ad alta velocità con una velocità di trasmissione dati garantita di 150 Mbps. Offrono un'elevata immunità ai transitori di modo comune (CMTI) di 100 kV/μs, una tensione di tenuta di 3 kV rms e sono conformi a tutte le normative vigenti.

L'isolamento del segnale è solo una parte dell'isolamento complessivo. Anche tutti i rail di alimentazione c.c. del sistema DAQ devono essere isolati. Nella maggior parte dei casi, questo si ottiene utilizzando come elemento di isolamento un trasformatore.

Se la fonte di alimentazione primaria è già in corrente alternata, viene fatta passare attraverso il trasformatore, quindi raddrizzata e regolata; se la fonte di alimentazione è in corrente continua, deve essere prima tagliata in una forma d'onda simile alla corrente alternata. L'uso di componenti come LT3999, un driver c.c./c.c. a basso rumore a 1 A, da 50 kHz a 1 MHz semplifica notevolmente il compito.

Un sistema DAQ completo ad alte prestazioni richiede ulteriori componenti centrali e periferici. La progettazione e la disposizione devono garantire una misurazione accurata e l'integrità dei dati. Oltre agli amplificatori e alle barriere di isolamento, una catena di segnali di precisione comprende tipicamente elementi di filtraggio, un ADC ad alta risoluzione e vari interruttori. Questi componenti si combinano per eliminare il rumore, ridurre al minimo le interferenze e fornire una rappresentazione accurata del segnale.

Assemblaggio di tutti i componenti

Un esempio di catena di segnali isolata che utilizza questi componenti chiave è ADSKPMB10-EV-FMCZ, una piattaforma di precisione che implementa un sistema DAQ a canale singolo, completamente isolato e a bassa latenza (Figura 4). Questa soluzione combina un amplificatore strumentale a guadagno programmabile (PGIA) per il condizionamento del segnale, in modo da soddisfare le sensibilità delle varie interfacce dei sensori, con l'isolamento digitale e di potenza all'interno di una scheda compatta.

Figura 4: ADKSPMB10-EV-FMCZ è una piattaforma di precisione che implementa un sistema DAQ a canale singolo, completamente isolato e a bassa latenza. Una scheda di interposizione PMOD-FMC (blocco centrale) fornisce l'isolamento e altre funzioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per la valutazione, è stata configurata una soluzione multi-scheda composta da 'ADSKPMB10-EV-FMCZ su un fattore di forma PMOD (Figura 5) e dalla scheda di interfaccia EVAL-SDP-CH1Z per la piattaforma di dimostrazione del sistema (SDP). Tra queste due schede si trova una scheda di interposizione PMOD-FMC completamente isolata.

Figura 5: ADSKPMB10-EV-FMCZ (a sinistra) si collega alla scheda di interfaccia SDP (non mostrata) tramite la scheda di interposizione PMOD-FMC (a destra). La zona verticale divisa sulla scheda di interposizione mostra il punto in cui viene implementata la barriera di isolamento. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

ADSKPMB10-EV-FMCZ è dotato di un PGIA discreto realizzato utilizzando l'amplificatore operazionale ADA4627-1. Il PGIA ha l'alta impedenza di ingresso necessaria per supportare l'interfacciamento diretto con una varietà di sensori. Il modulo offre anche una rete resistiva quadrupla di precisione adattata per l'impostazione del guadagno, di un multiplexer a quattro canali e di un driver ADC con amplificatore completamente differenziale per ADAQ4003. ADAQ4003 è un sottosistema ADC e DAQ a 18 bit e 2 Msps implementato come μModule.

Questo modulo è più di un semplice ADC ad alta risoluzione. ADAQ4003 incorpora diverse tecniche di riduzione del rumore per consentire l'acquisizione di segnali ad alta fedeltà. Ad esempio, tra l'uscita del driver dell'ADC e gli ingressi dell'ADC all'interno del modulo μModule è collocato un filtro resistore-condensatore (RC) unipolare passa-basso per eliminare il rumore ad alta frequenza e ridurre i "contraccolpi" di carica dall'ingresso dell'ADC interno.

Inoltre, il layout del modulo μModule assicura che i percorsi analogici e digitali siano separati per evitare il crossover e ridurre al minimo il rumore di irradiazione.

La scheda di interposizione PMOD-FMC completamente isolata comprende il driver c.c./c.c. LT3999, gli isolatori digitali a cinque e due canali, un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) a basso rumore e un LDO a bassissimo rumore. La scheda di interposizione funge da ponte e si collega alla scheda di interfaccia SDP.

Quest'ultima esegue l'elaborazione, la gestione e la connettività post-acquisizione. Questa scheda dispone di un connettore FMC a 160 pin, di un'alimentazione a 12 V_c.c., che viene ulteriormente regolata e suddivisa per le altre schede, di un processore Blackfin con sicurezza hardware per la protezione del codice e dei contenuti, di una porta USB e di un FPGA Spartan-6.

La prova del nove sono le prestazioni

La valutazione delle prestazioni di un sistema DAQ di precisione non è un processo banale, poiché la strumentazione, la disposizione dei test e i parametri di misura sono fondamentali. Sebbene molti parametri dinamici siano correlati alle prestazioni dei sistemi DAQ, i più significativi sono la gamma dinamica, il rapporto segnale/rumore (SNR) e la distorsione armonica totale (THD).

La gamma dinamica è l'intervallo tra il rumore di fondo di un dispositivo e il suo livello di uscita massimo specificato.

La gamma dinamica tipica di questo progetto, pari a 93 dB alla massima impostazione del guadagno e a 100 dB alla minima impostazione del guadagno, è impressionante (Figura 6). L'aumento del rapporto di sovracampionamento a un fattore di 1024× migliora ulteriormente la misurazione, raggiungendo un massimo rispettivamente di 123 dB e 130 dB.

Figura 6: La gamma dinamica di circa 100 dB dell'intero circuito e della catena di segnali, a seconda del guadagno e di altre impostazioni, indica un sistema DAQ ad alte prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'SNR è il rapporto tra l'ampiezza del segnale rms e il valore medio della radice della somma dei quadrati (RSS) di tutte le altre componenti spettrali, escluse le armoniche e la corrente continua. Il THD è il rapporto tra il valore efficace del segnale fondamentale e il valore medio dell'RSS delle sue armoniche.

L'SNR e il THD di questo progetto sono chiaramente ad alte prestazioni, in quanto la catena di segnali raggiunge un SNR massimo di 98 dB (Figura 7 a sinistra) e un THD di -118 dB (Figura 7 a destra), a seconda delle impostazioni del guadagno.

Figura 7: Oltre alla gamma dinamica, l'elevato SNR (a sinistra) e il basso THD (a destra) sono la prova tangibile di prestazioni DAQ analogiche superiori. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

La progettazione e l'implementazione di una catena di segnali di precisione isolata che preservi l'accuratezza, riduca al minimo il rumore e le interferenze e garantisca l'integrità dei dati sono molto impegnative. Fortunatamente, è possibile farlo grazie all'uso oculato di tecniche di precisione di amplificazione e isolamento, ADC e moduli ad alta risoluzione e gestione dell'alimentazione a basso rumore per consentire misurazioni precise, anche in ambienti elettricamente difficili. Ciò è possibile grazie all'utilizzo di componenti avanzati di Analog Devices, che vanno da amplificatori operazionali di base a dispositivi di isolamento avanzati, supportati dalle necessarie funzioni periferiche, insieme a schede tecniche dettagliate e linee guida applicative.