Concevoir un circuit d'entrée de système de détection industriel haute précision

Les applications industrielles et de contrôle de processus collectent de nombreuses données de précision relatives à la température, à la pression et à la tension sur lesquelles reposent des prises de décision en amont. Le défi pour les concepteurs est que ces applications nécessitent plusieurs canaux haute précision capables de maintenir ce niveau de précision élevé dans le domaine fréquentiel.

Cet article présente les principaux composants et les exigences paramétriques d'un circuit d'entrée de conversion de signal et de détection industrielle précis et hautes performances. Étant donné que le bruit est un facteur déterminant en ce qui concerne la précision, la solution adaptée finale est conçue pour résoudre les problèmes de bruit.

Présentation du système

Un système d'entrée de détection industrielle 18 bits haute précision doit inclure une structure d'acquisition de données (DAQ) économique, isolée et à plusieurs canaux pouvant gérer des niveaux de signaux industriels. De l'entrée à la sortie, le circuit multicanal haute précision commence avec un multiplexeur à huit entrées, configurable en tant que canaux d'entrées asymétriques ou différentiels (Figure 1). Ces entrées de multiplexeur reçoivent diverses entrées de capteur pour le contrôle de processus, comme celles provenant des capteurs de température, des capteurs de pression et des capteurs optiques.

Figure 1 : Un circuit multicanal haute précision à huit entrées pour plusieurs entrées de capteurs commence avec un multiplexeur d'entrée configurable en tant que canaux d'entrées asymétriques ou différentiels. (Source de l'image : Bonnie Baker)

Dans la Figure 1, un amplificateur de mesure à gain programmable (PGIA), indiqué par « PGA », suit le multiplexeur d'entrée avec une tenue en tension d'excursion d'entrée et de sortie similaire. Les étages du multiplexeur et de l'amplificateur de mesure à gain programmable sont capables de gérer des entrées haute tension allant jusqu'à ±10 volts.

La tension de mode commun et la vaste excursion de sortie de la tension de l'amplificateur de mesure à gain programmable ne sont pas adaptées à la plage d'entrée à alimentation simple du convertisseur analogique-numérique (CAN) 18 bits. Pour préparer la plage de tensions de signal pour le CAN, le système nécessite un amplificateur à cône. L'amplificateur à cône exécute trois fonctions : un décalage du niveau de signal, une conversion asymétrique-différentielle et une atténuation pour répondre aux exigences d'entrée du CAN 18 bits à alimentation simple.

Après le CAN 18 bits, un isolateur numérique fournit une isolation galvanique. Ce style d'isolation permet d'avoir différentes tensions de mode commun de chaque côté sans créer d'interférences qui pourraient nuire à la fidélité du signal.

Détails du circuit

Le système d'acquisition de données (DAQ) multicanal isolé décrit jusqu'ici inclut un multiplexeur, un étage d'amplificateur de mesure à gain programmable, un circuit d'attaque d'amplificateur CAN et un CAN à registre d'approximations successives (SAR) haute précision et entièrement différentiel. Le système surveille huit canaux au moyen d'un seul CAN. Toutefois, les circuits d'attaque CAN et le CAN sont les principaux éléments qui contribuent au bruit (Figure 2).

Figure 2 : Schéma d'un système d'acquisition de données (DAQ) multicanal isolé avec un CAN 18 bits. Le CAN et les circuits d'attaque CAN sont les principaux contributeurs de bruit. (Source de l'image : Analog Devices)

Le niveau de bruit est une spécification qui a une grande influence sur le type de composants convenant au circuit de cette application.

Sélection des composants appropriés

Dans la Figure 2, le multiplexeur d'entrée est l'ADG5207BCPZ-RL7 d'Analog Devices, un multiplexeur différentiel haute tension à 8 canaux protégé contre le verrouillage à l'état passant, avec une capacité ultrafaible de 3,5 picofarads (pF) et une injection de charge de 0,35 picocoulomb (pC). En raison de cette faible charge d'injection, ces commutateurs conviennent parfaitement aux circuits d'acquisition de données (DAQ) échantillonneurs qui nécessitent des taux de pointe de conversion faibles et des délais de stabilisation rapides. L'ADG5207 peut être configuré pour recevoir à la fois des signaux d'entrées asymétriques et différentiels. Le circuit logique programmable complexe (CPLD) illustré dans le circuit sélectionne le canal actif de l'ADG5207 en utilisant ses broches d'adresse.

L'amplificateur de mesure à gain programmable est l'AD8251ARMZ-R7 d'Analog Devices. Ce dispositif fournit des gains sélectionnables de 1, 2, 4 et 8. Après cela, l'amplificateur à cône entièrement différentiel à gain sélectionnable AD8475ACPZ-R7 d'Analog Devices fournit un décalage de niveau pour une tension de mode commun à la terre de 2,048 volts et des paramètres de gain de 0,4 et 0,8. L'AD8475 présente une faible densité spectrale de bruit de sortie de 10 nanovolts par racine carrée de Hertz (nV/√Hz). Les gains de l'amplificateur de mesure à gain programmable et de l'amplificateur à cône sont combinés pour fournir des signaux d'entrée pleine échelle appropriés au CAN SAR 18 bits AD4003BCPZ-RL7 d'Analog Devices (Tableau 1).

Tableau 1 : Plages de tensions d'entrée et de sortie pour quatre configurations de gain pour l'amplificateur de mesure à gain programmable AD8251. Les gains de l'amplificateur de mesure à gain programmable et de l'amplificateur à cône AD8475 sont combinés pour fournir des signaux d'entrée pleine échelle appropriés au CAN SAR 18 bits AD4003BCPZ-RL7. (Source du tableau : Bonnie Baker)

L'AD4003BCPZ-RL7 est un CAN SAR 18 bits de précision entièrement différentiel de 2 méga-échantillons/seconde (Méch./s) qui présente un rapport signal/bruit typique de 98 décibels (dB) pour une référence de 4,096 volts.

Analyse du bruit du système

En raison de son impact sur la précision, le bruit doit être soigneusement pris en compte lors de la conception de systèmes d'acquisition de données de précision avec une vitesse supérieure. Le bruit est un phénomène dans le domaine fréquentiel qui a une incidence sur la précision CA et CC de la sortie numérique du CAN. Le bruit est un événement aléatoire : il se peut qu'un circuit bruyant fournisse le résultat absolu correct pour une conversion, mais qu'il fournisse un résultat complètement inexact pour la conversion suivante. Le défi pour les concepteurs est de déterminer les contributions au bruit acceptables de tous les dispositifs du circuit.

La valeur totale efficace (RMS) du bruit du système est égale à la racine carrée des sommes de tous les dispositifs du circuit associé à l'entrée du CAN AD4003 et est calculée à l'aide de l'Équation 1 :

Équation 1

Où :

V_nADG5207 = contribution au bruit efficace du multiplexeur ADG5207

V_nAD8251 = contribution au bruit efficace de l'amplificateur de mesure à gain programmable AD8251

V_nAD8475 = contribution au bruit efficace de l'amplificateur à cône AD8475

V_nAD4003 = contribution au bruit efficace du CAN 18 bits AD4003

La valeur calculée efficace du rapport signal/bruit du système utilise la plage d'entrée pleine échelle de l'AD4003, ou V_REF, et est calculée à l'aide de l'Équation 2 :

Équation 2

Bruit du CAN AD4003 : Le bruit du CAN AD4003 dépend de l'erreur de quantification du convertisseur et du bruit thermique interne. Le calcul de la tension du bruit d'entrée efficace de l'AD4003 utilise la tension d'entrée pleine échelle (V_REF) du rapport signal/bruit de fonctionnement, selon l'Équation 3 :

Équation 3

La spécification de la fiche technique pour le rapport signal/bruit de l'AD4003 avec une tension V_REF égale à 4,096 volts est d'environ 98 dB.

Bruit de l'amplificateur à cône AD8475 : Le bruit de sortie efficace de l'AD8475 est une combinaison de la densité spectrale du bruit de l'amplificateur (ϵ_AD8475) à 1 kHz et de la limite de bande passante du circuit d'amplificateur. La bande passante de l'AD8475 avec un gain de 0,4 V/V est égale à 150 MHz. La fréquence d'angle à 3 dB du filtre résistance-capacité (RC) suivant est de 6,63 MHz. La combinaison de l'AD8475 et du filtre RC de sortie crée une limite de bande passante de 6,63 MHz, selon l'Équation 4 :

Équation 4

Où :

ϵ_AD8475 = 10 nV/√Hz.

R = 200 Ω

C = 120 pF

BW_RC = 1 / (2xp x R x C) ~ 6,63 MHz

Bruit de l'amplificateur de mesure à gain programmable AD8251 : La contribution au bruit efficace de l'AD8251 dépend de l'entrée de référence de l'AD8251, du bruit local de 1 kHz (ϵ_AD8251) exprimé en nV/√Hz, de son paramètre de gain (G_AD8251), du gain de l'AD8475 (G_AD8475) et de la bande passante du filtre antiparasite au niveau de l'entrée de l'AD4003 (BW_RC). Il est calculé à l'aide de l'Équation 5 :

Équation 5

La valeur de ϵ_AD8251 est égale à 40 nV/√Hz pour un gain de 1 V/V et à 18 nV/√Hz pour un gain de 8 V/V.

Bruit du multiplexeur ADG5207 : L'équation relative au bruit de Johnson-Nyquist fournit la densité spectrale de bruit du multiplexeur et le bruit efficace qui en résulte. Équation 6 :

Équation 6

Où :

k_B = Constante de Boltzmann = 1,38 x 10^-23

T = température en kelvin

R_ON = résistance à l'état passant du multiplexeur (selon la fiche technique de l'ADG5207)

L'utilisation de cette formule (Équation 6) est appropriée, car le multiplexeur agit comme une résistance série.

La valeur de la densité spectrale du multiplexeur (ϵ_nADG5207) génère la contribution au bruit efficace de l'ADG5207 à l'aide de l'Équation 7 :

Équation 7

Résumé de l'analyse du bruit

Le total des contributions au bruit calculé pour chaque composant dans la Figure 2 et pour le rapport signal/bruit qui en résulte pour un gain cumulé de 3,2 est de 84,7 dB. Les éléments qui contribuent le plus au bruit total sont l'amplificateur de mesure à gain programmable AD8251 et le CAN AD4003 (Tableau 2).

Tableau 2 : Les performances de rapport signal/bruit calculées du système d'acquisition de données multicanal pour un gain cumulé de 3,2 sont de 84,7 dB. (Source des données : Analog Devices)

Évaluation et test du circuit

Pour évaluer et tester ce circuit, les concepteurs peuvent utiliser le kit d'évaluation de circuit EVAL-CN0385-FMCZ, qui contient le circuit de la Figure 2 (Figure 3).

Figure 3 : La carte d'évaluation EVAL-CN0385-FMCZ peut être utilisée pour tester la conception de circuit d'entrée d'acquisition de données décrite dans cet article. (Source de l'image : Analog Devices)

Le pack de support à la conception CN-0385 contient le schéma du circuit complet et le matériel de support de configuration. Le kit d'évaluation contient également la carte de contrôleur EVAL-SDP-CH1Z pour faciliter la capture de données (Figure 4).

Figure 4 : Configuration fonctionnelle test pour évaluer le circuit d'entrée d'acquisition de données. (Source de l'image : Analog Devices)

Les résultats de performances de la carte EVAL-CN0385-FMCZ montrent des valeurs qui correspondent étroitement aux calculs du bruit (Tableau 3).

Tableau 3 : Performances de rapport signal/bruit, de bruit et de distorsion harmonique totale (THD) de la carte EVAL-CN0385-FMCZ pour une entrée d'onde sinusoïdale pleine échelle de 10 kHz pour des gains cumulés de 0,4, 0,8, 1,6 et 3,2. (Source des données : Analog Devices)

Un système Audio Precision SYS-2700 a généré le signal dans un mode d'entrée différentielle. Les graphiques de transformation de Fourier rapide (FFT) du signal d'entrée de 10 kHz sont illustrés dans les Figures 5, 6, 7, et 8.

Figure 5 : Transformation de Fourier rapide (FFT) pour entrée de 10 kHz, 20 Vp-p pour gain = 0,4 sur un seul canal statique. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 6 : Transformation de Fourier rapide (FFT) pour entrée de 10 kHz, 10 Vp-p pour gain = 0,8 sur un seul canal statique. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 7 : Transformation de Fourier rapide (FFT) pour entrée de 10 kHz, 5 Vp-p pour gain = 1,6 sur un seul canal statique. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 8 : Transformation de Fourier rapide (FFT) pour entrée de 10 kHz, 2,5 Vp-p pour gain = 3,2 sur un seul canal statique. (Source de l'image : Analog Devices)

Comme le montrent les graphiques, les performances de la chaîne de signaux ADG5207, AD8251, AD8475 et AD4003 dans la carte d'évaluation EVAL-CN0385-FMCZ sont très proches des calculs précédents.

Conclusion

Dans les environnements industriels et de contrôle de processus, il existe de nombreuses activités de collecte de données, notamment des données de précision relatives à la température, à la pression et à la tension. Ces applications exigent des canaux multiplexés haute précision tout en maintenant un niveau de précision élevé avec un faible bruit dans le domaine fréquentiel. Le circuit d'entrée de mesure analogique idéal inclut un multiplexeur, un amplificateur de mesure à gain programmable et un CAN de précision 18 bits, 2,0 Méch./s. Le CAN échantillonne le signal à partir du canal de multiplexeur actif. Cet article fournit des calculs précis et des données de test complémentaires pour un circuit adapté. Les résultats des tests montrent que les performances réelles de la chaîne de signaux ADG5207, AD8251, AD8475 et AD4003 dans la carte d'évaluation EVAL-CN0385-FMCZ sont très proches des valeurs calculées.