Utiliser l'isolation pour préserver la précision et améliorer les performances pour l'acquisition de données

À mesure que l'intelligence évolue en périphérie pour résoudre des problèmes nouveaux et complexes, il devient de plus en plus important de garantir la fiabilité, la précision et les performances de l'acquisition de données (DAQ). Pour ce faire, les concepteurs doivent fournir une chaîne de signaux de précision isolée entre le signal acquis et le processeur du système.

Garantir l'isolation dans une chaîne de mesure de signaux analogiques de précision est une tâche difficile. Une attention particulière aux détails est requise pour maintenir les performances de la chaîne de signaux malgré les facteurs de corruption des signaux et l'inévitable dérive thermique. Pour de nombreux concepteurs, il peut être utile de mieux comprendre les problèmes impliqués avant de sélectionner et d'utiliser la technologie d'isolation appropriée.

Cet article aborde les différents problèmes associés au développement et à l'optimisation d'un système DAQ isolé haut de gamme, où la désignation « haut de gamme » englobe les attributs de précision, d'exactitude, d'intégrité des signaux et de cohérence. Il présente ensuite des solutions de chaîne de signaux DAQ d'Analog Devices et montre comment ils peuvent être utilisés pour constituer un tel système.

Optimiser chaque bloc fonctionnel

Un système DAQ typique se compose d'une série de blocs fonctionnels, qui permettent au signal de passer du système physique à un capteur. De là, il passe à un circuit d'entrée analogique (AFE) pour la mise en forme des signaux, à un convertisseur analogique-numérique (CAN) pour la numérisation, puis à un système de lecture ou de contrôle informatisé, qui peut aller d'un microcontrôleur à un système beaucoup plus grand (Figure 1).

Figure 1 : Un système DAQ se compose d'une chaîne de signaux linéaire bien définie allant du système physique mesuré et du capteur au processeur hôte. (Source de l'image : Bill Schweber)

La précision et l'exactitude DAQ commencent par la sélection des composants de mise en forme des signaux frontaux, en particulier le préamplificateur du transducteur. Les performances de faible bruit font partie des nombreux facteurs critiques pour cette fonction, car le bruit interne est difficile à réduire à un stade ultérieur de la conception et sera amplifié avec le signal souhaité. Un rapport signal/bruit (SNR) de base est établi ici et sera inévitablement dégradé à mesure que le signal passe par des étapes supplémentaires.

Pour cette raison, les AFE utilisent souvent un amplificateur opérationnel monofonction optimisé en termes de bruit. Un bon choix pour le préamplificateur frontal est l'ADA4627-1BRZ-R7 d'Analog Devices, un amplificateur opérationnel JFET de 30 V (alimentation double ±15 V), à haute vitesse, faible bruit et faible courant de polarisation. Parmi ses nombreuses spécifications optimisées pour les capteurs, il présente une faible tension de décalage de 200 µV (maximum), une dérive de décalage de 1 µV/°C (typique) et un courant de polarisation d'entrée de 5 pA (maximum). La spécification de tension de bruit critique est de 6,1 nV/√Hz à 1 kHz (Figure 2).

Figure 2 : L'amplificateur opérationnel JFET ADA4627 présente une tension de bruit de 6,1 nV/√Hz (1 kHz). (Source de l'image : Analog Devices)

Multiples avantages de l'isolation

Une fois le signal amplifié et numérisé, l'étape suivante consiste à établir une isolation galvanique entre le signal et la section numérique du système et le processeur associé. Trois raisons principales justifient cette étape :

1. Réduction du bruit et des interférences : l'isolation galvanique peut éliminer les variations de tension de mode commun, les boucles de masse et les interférences électromagnétiques (EMI). Elle empêche également les sources de bruit externes de corrompre le signal acquis, garantissant des mesures plus propres et plus précises.
2. Élimination des boucles de masse : les boucles de masse peuvent introduire des différentiels de tension qui déforment le signal mesuré. L'isolation interrompt le chemin de la boucle de masse, supprimant ainsi les interférences causées par la variation des potentiels de masse et améliorant la précision des mesures.
3. Sécurité et protection : les barrières galvaniques assurent la sécurité électrique en empêchant les pics de tension, les transitoires ou les surtensions dangereux d'atteindre les composants de mesure sensibles. Cela protège les circuits de mesure et les dispositifs connectés, garantissant un fonctionnement sûr et fiable. De plus, ces barrières éliminent le risque électrique pour les utilisateurs si le capteur de bas niveau touche même brièvement une ligne CA ou haute tension.

Plusieurs techniques sont disponibles pour mettre en œuvre l'isolation des signaux numériques basée sur des principes magnétiques, optiques, capacitifs et même RF. Analog Devices propose une gamme de solutions hautes performances, notamment l'isolateur numérique à cinq canaux ADUM152N1BRZ-RL7 basé sur leur technologie iCoupler propriétaire (Figure 3).

Figure 3 : L'isolateur numérique à cinq canaux ADuM152N utilise une implémentation de couplage magnétique propriétaire pour atteindre des performances élevées. (Source de l'image : Analog Devices)

Ces isolateurs combinent des circuits CMOS haute vitesse et une technologie de transformateur à noyau à air monolithique. Pour garantir des performances adaptées aux besoins des liaisons numériques haut débit, le temps de propagation maximum est de 13 ns avec une distorsion de largeur d'impulsion inférieure à 4,5 ns à 5 V, et l'adaptation canal-à-canal du temps de propagation n'est que de 4,0 ns (maximum). Une version similaire à deux canaux, l'ADUM120N1BRZ-RL7, est disponible afin que le nombre total de canaux isolés puisse être adapté à la largeur du bus.

Ces isolateurs sont optimisés pour des performances haute vitesse avec un débit de données garanti de 150 Mbps. Ils offrent une immunité transitoire en mode commun (CMTI) élevée de 100 kV/μs, une tension de tenue nominale de 3 kV rms, et ils respectent tous les mandats réglementaires pertinents.

L'isolation des signaux n'est qu'une partie de l'isolation globale. Tous les rails d'alimentation CC vers le système DAQ doivent également être isolés. Cela est le plus souvent réalisé en utilisant un transformateur comme élément isolant.

Si la source d'alimentation principale est déjà CA, elle passe dans le transformateur, puis est redressée et régulée ; si la source d'alimentation est CC, elle doit d'abord être découpée en une forme d'onde de type CA. Cette opération est considérablement simplifiée en utilisant des composants tels que le LT3999, un circuit d'attaque CC/CC à faible bruit de 1 A, 50 kHz à 1 MHz.

Un système DAQ hautes performances complet requiert des composants de base et périphériques supplémentaires. Leur conception et leur disposition doivent garantir la précision des mesures et l'intégrité des données. Outre les amplificateurs et les barrières galvaniques, une chaîne de signaux de précision inclut typiquement des éléments de filtrage, un CAN haute résolution et des commutateurs. Ces composants se combinent pour éliminer le bruit, minimiser les interférences et fournir une représentation précise du signal.

Assemblage

Un exemple de chaîne de signaux isolée utilisant ces composants clés est l'ADSKPMB10-EV-FMCZ, une plateforme de précision qui implémente un système DAQ à un canal, entièrement isolé et à faible latence (Figure 4). Cette solution comprend un amplificateur de mesure à gain programmable (PGIA) pour la mise en forme des signaux afin de s'adapter aux sensibilités des différentes interfaces de capteurs avec une isolation numérique et d'alimentation dans une carte compacte.

Figure 4 : L'ADSKPMB10-EV-FMCZ est une plateforme de précision qui implémente un système DAQ à un canal, entièrement isolé et à faible latence. Une carte d'interposeur PMOD-FMC (bloc central) fournit une isolation et d'autres fonctions. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour l'évaluation, il s'agit d'une solution multicarte composée de l'ADSKPMB10-EV-FMCZ sur un facteur de forme PMOD (Figure 5) et de la carte d'interface de plateforme de démonstration système (SDP) EVAL-SDP-CH1Z. Entre ces deux cartes se trouve une carte d'interposeur PMOD-FMC entièrement isolée.

Figure 5 : L'ADSKPMB10-EV-FMCZ (à gauche) se connecte à la carte d'interface SDP (non illustrée) via la carte d'interposeur PMOD-FMC (à droite). La zone de division verticale sur la carte d'interposeur montre l'emplacement de la barrière galvanique. (Source de l'image : Analog Devices)

L'ADSKPMB10-EV-FMCZ est doté d'un PGIA discret construit à l'aide de l'amplificateur opérationnel ADA4627-1. Le PGIA offre l'impédance d'entrée élevée nécessaire pour prendre en charge l'interfaçage direct avec une variété de capteurs. Le module comprend également un réseau de quadruples résistances adaptées de précision pour le réglage du gain, un multiplexeur à quatre canaux et un circuit d'attaque CAN d'amplificateur entièrement différentiel pour l'ADAQ4003. L'ADAQ4003 est un sous-système DAQ et CAN de 18 bits, 2 Méch./s, implémenté sous la forme d'un μModule.

Ce module est bien plus qu'un simple CAN haute résolution. Plusieurs techniques de réduction du bruit sont intégrées dans l'ADAQ4003 pour permettre l'acquisition de signaux haute fidélité. Par exemple, un filtre résistance-condensateur (RC) passe-bas unipolaire est placé entre la sortie du circuit d'attaque CAN et les entrées CAN dans le μModule pour éliminer le bruit haute fréquence et réduire les « retours » de charge depuis l'entrée du CAN interne.

De plus, la disposition du μModule garantit que les chemins analogiques et numériques sont séparés pour éviter les croisements et minimiser le bruit rayonnant.

La carte d'interposeur PMOD-FMC entièrement isolée inclut le circuit d'attaque CC/CC LT3999, les isolateurs numériques à cinq et deux canaux, un régulateur à faible bruit et à faible chute de tension (LDO) et un LDO à ultrafaible bruit. La carte d'interposeur fonctionne comme un pont et se connecte à la carte d'interface SDP.

La carte d'interface SDP effectue le traitement post-acquisition, la gestion et la connectivité. Cette carte est dotée d'un connecteur FMC à 160 broches, d'une alimentation 12 V_CC, qui est en outre régulée et partitionnée pour les autres cartes, d'un processeur Blackfin avec sécurité matérielle pour la protection du code et du contenu, d'un port USB et d'un FPGA Spartan-6.

La preuve réside dans les performances

L'évaluation des performances d'un système DAQ de précision n'est pas un processus aisé, car l'instrumentation, la configuration des tests et les paramètres de mesure sont essentiels. Bien que de nombreux paramètres dynamiques soient liés aux performances des systèmes DAQ, les plus révélateurs sont la plage dynamique, le rapport signal/bruit (SNR) et la distorsion harmonique totale (THD).

La plage dynamique est la plage entre le bruit de fond d'un dispositif et son niveau de sortie maximum spécifié.

La plage dynamique typique de cette conception, de 93 dB au réglage de gain le plus élevé et de 100 dB au réglage de gain le plus bas, est impressionnante (Figure 6). L'augmentation du taux de suréchantillonnage à un facteur de 1024× améliore la mesure, atteignant un maximum de 123 dB et 130 dB, respectivement.

Figure 6 : La plage dynamique d'environ 100 dB du circuit complet et de la chaîne de signaux, en fonction du gain et d'autres paramètres, indique un système DAQ hautes performances. (Source de l'image : Analog Devices)

Le SNR est le rapport entre l'amplitude du signal efficace et la valeur moyenne de la résultante quadratique (RSS) de toutes les autres composantes spectrales, à l'exclusion des harmoniques et du courant continu. La distorsion harmonique totale est le rapport entre la valeur efficace du signal fondamental et la valeur moyenne RSS de ses harmoniques.

Le rapport signal/bruit et la distorsion harmonique totale de cette conception sont clairement très performants, car la chaîne de signaux atteint un SNR maximum de 98 dB (Figure 7 (à gauche)) et une valeur THD de –118 dB (Figure 7 (à droite)), selon les paramètres de gain.

Figure 7 : Outre la plage dynamique, le rapport signal/bruit élevé (à gauche) et la faible distorsion harmonique totale (à droite) sont des preuves tangibles de la supériorité des performances DAQ analogiques. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

La conception et la mise en œuvre d'une chaîne de signaux de précision isolée qui préserve l'exactitude, minimise le bruit et les interférences, et garantit l'intégrité des données constituent un véritable défi. Heureusement, il est possible d'y parvenir en utilisant judicieusement des techniques d'amplification et d'isolation de précision, des CAN et des modules haute résolution, et une gestion de l'alimentation à faible bruit pour permettre des mesures précises, même dans les environnements électriquement difficiles. L'utilisation de composants avancés d'Analog Devices, s'étendant de simples amplificateurs opérationnels à des dispositifs d'isolation avancés, et soutenus par les fonctions périphériques nécessaires ainsi que par des fiches techniques détaillées et des consignes applicatives, permet d'atteindre cet objectif.