ADC de alta resolución frente a los amplificadores

Question

He comenzado un diseño para el trabajo en el que quiero interconectar algunos sensores, (galgas extensométricas, puentes, termopares, cosas de bajo voltaje) a una tarjeta sbRIO de National Instruments. Esta tarjeta tiene entradas analógicas incorporadas así como DIO. El sbRIO puede medir hasta +- 1v y 16 bits, pero en mi experiencia eso no es lo suficientemente bueno para los termopares y las galgas extensométricas, donde se está buscando en <100 mV. Ya íbamos a hacer una tarjeta "mezzanine" con algunos otros circuitos de interfaz, así que iba a añadir algunos circuitos que pudieran manejar estos voltajes más bajos.

Hace un tiempo había encontrado un ADC de 32 bits con interfaz SPI y he estado buscando una excusa para jugar con uno y pensé que esto podría ser un buen ajuste. ( https://www.protocentral.com/analog-adc-boards/1005-protocentral-ads1262-32-bit-precision-adc-breakout-board-0642078949630.html ). Tiene un amplificador de ganancia incorporado, y algunas otras campanas y silbatos.

Mi pregunta es para cualquier diseñador de hardware por ahí es esto. ¿Sería mejor utilizar amplificadores para cada canal individual en lugar de utilizar esta unidad de un ADC? es decir, utilizar amplificadores de termopar y amplificadores de puente en su caso? Agradezco cualquier idea que me puedan dar. Gracias por su tiempo.

Answer 1

Esto no es exactamente una respuesta, sino más bien una anécdota.

Los ADC de alto bit son una cosa muy ingeniosa. Su gran resolución, junto con su alto rango dinámico, eliminan muchas preocupaciones de la cadena de señal.

Construí un sistema para biopotenciales con un chip de 32 bits. La calidad de la señal era excelente, como todos mis cálculos me decían que sería, con sólo una mínima amplificación y filtrado antialias. Dicho esto, mis datos estaban montados en lo que parecía ser una *enorme" onda cuadrada que no noté durante mi prototipo. Me tuvo bastante desconcertado durante un tiempo.

Sin embargo, trabajando hacia atrás, descubrí que la magnitud de la onda cuadrada era realmente diminuta.

Finalmente, tuve la caja donde vivía esta cosa abierta, y me di cuenta serendípicamente que cuando el programador de la placa de desarrollo del microcontrolador que estaba usando no estaba numerado por USB, que un LED parpadeaba perfectamente al ritmo de mi misteriosa onda cuadrada. Eso hacía que algo se hundiera, en el rango de microvoltios, que era simplemente enorme en mi señal de 32 bits. ¡No estaba presente durante la creación de prototipos, porque mi programador de a bordo fue enumerado! ¡¡¡¡¡Esos bastardos!!!!! El problema se resolvió quitando la resistencia limitadora de corriente en el LED.

¿Por qué fue frustrante? Bueno, por primera vez en mi vida, ¡¡¡no amplifiqué lo suficiente como para poder ver realmente las señales con las que estaba trabajando en un osciloscopio!!! No lo hice, porque no tenía que hacerlo.

Supongo que el punto es que la selección de un ADC de 32 bits creó una opacidad divertida en mi cadena de señal que tuve que aprender de la manera difícil. Esto fue muy parecido a mis primeras experiencias con los microcontroladores, donde no se puede simplemente mirar dentro y saber lo que está sucediendo.

En resumen, los ADCs de alto bit son una herramienta valiosa que hace que el diseño analógico sea muy fácil. Dicho esto, son una herramienta, como cualquier otra, y la curva de aprendizaje puede ser un reto. Afortunadamente, en mi caso, logré identificar mi problema. Puedo decir que estaba bajo una gran presión de tiempo, trabajando bajo subcontrato para una empresa de dispositivos médicos. Estuve bajo un estrés bastante importante durante unos días, hasta que encontré mi problema. Hay un momento y un lugar para empezar a usar nuevas herramientas, y un momento y un lugar para las probadas y verdaderas.

Answer 2

El ADC de 32 bits es engañoso. Incluso con la máxima ganancia, el pico de ruido es de unos 60 nV. Un ADC de 5V y 24 bits es 5/2^24 o 29nV por bit. Así que los 9 bits inferiores del ADC de 32 bits serán ruidosos. Hay ADCs delta sigma menos ruidosos en el mercado.

¿Sería más adecuado utilizar amplificadores para cada de los canales en lugar de utilizar esta unidad de un ADC? es decir, utilizar amplificadores de termopar amplificadores de termopar y amplificadores de puente en su caso?

Depende de cuál sea tu objetivo, si es el menor ruido, un ADC con un mux siempre será más ruidoso que un ADC independiente, porque los transistores del MUX son fuentes de ruido.

En cuanto a tu pregunta sobre el amplificador, también depende de los requisitos del proyecto. Pero habrá un mejor control sobre la cantidad de ruido en tu circuito si usas amplificadores analógicos, también costará más. El ADC también tiene muchos filtros digitales, así que en lugar de usar sensores analógicos y calcular el ancho de banda puedes cambiarlo con el software.

Answer 3

Hace años realicé una evaluación de silicio de un ADC de 22 bits. Esperaba aprender, sorprenderme y quedar perplejo. Y así fue.

1) tu mano o tu cara o tu cuerpo emiten calor, y las uniones de silicio MÁS CERCANAS a la fuente de calor estarán más calientes; dos diodos cercanos se alejarían 500 microvoltios, y experimentarás unos 60 segundos de tiempo de asentamiento a la nueva tensión de compensación; dado que 0,1 metro de cobre tiene 114 segundos de constante de tiempo térmico, podemos esperar que los flujos de calor sean un problema constante; yo había diseñado esos 2 diodos en la PCB de Eval, para examinar el calentamiento por mi cara; un diodo sombreaba parcialmente al otro diodo, para asegurar una diferencia de flujo de calor.

¿Por qué los flujos de calor son un problema? El movimiento de 1 vatio a través de un cuadrado de lámina de cobre, de borde a borde, producirá un gradiente de temperatura de 70 grados centígrados. Sin embargo, la unión de metales disímiles produce de 5 a 40 microvoltios por grado centígrado, y las placas de circuito impreso tienen muchas transiciones metálicas de este tipo. El desajuste térmico de las rutas diferenciales (Vin+, Vin-) se convierte en su reto.

2) la absorción dieléctrica de los condensadores apareció; el filtrado de la entrada utilizando el paso bajo RC, para explorar el piso de ruido del ADC, mostró 2 o 3 minutos de asentamiento; cuando se puso en cortocircuito brevemente y luego se abrió, casi un milivoltio de carga almacenada apareció lentamente

3) la resistencia de 1 onza/pie^2 de lámina de cobre es de 0,000500 ohmios por cuadrado, para cualquier tamaño de cuadrado; 1milliAmp a través de un cuadrado generará 500 NanoVoltios de error; planea usar el modelado de elementos finitos para diseñar tu PCBS a nivel de 32 bits. [editar los NanoVoltios era primero microVoltios]

4) 1 amperio de sinusoide puro de 60Hz (sin picos) a 1 metro de un bucle de 10cm por 1cm, inducirá este voltaje en su PCB

Vinduce = 2e-7 * Área/Distancia * dI/dT

Vinduce = 2e-7 *10cm*1cm/1metro * 377

Vinduce = 2e-7 * 1e-3 * 377

Vinduce = 1e-10 * 754 = 75 nanoVoltios

¿Por qué? Porque una fina lámina de cobre no protege contra los campos magnéticos de 60 Hertz. A 60.000 Hertz, apenas. A 60.000.000 Hertz, bastante bien. Pero no a 60Hz.

5) esos pines de interfaz digital "silenciosos", con un nivel 1 o 0, siguen zumbando con 200 o 500 miliVoltsPP de ruido de rieles de la MCU; ¿qué tan cerca puedes dejar que una traza de interfaz digital se acerque a las señales de 32 bits, dado que la basura de la MCU tiene patrones pseudo-aleatorios (dependientes del programa), y no se puede confiar en que se "promedie"?

6) algunos valores útiles para el ruido del tapón conmutado

10picoFarad ................ 20 microVoltios RMS

1000 picoFarad ............ 2 microVolts RMS

100.000 picoFarad ........ 200 nanoVoltios RMS

10.000.000 picoFarad ..... 20 nanoVoltios RMS

1Billón de picoFarad ............. 2 nanoVoltios RMS

utilizando la fórmula: VnoiseRMS = sqrt( K*T/C)

¿Para qué sirve esta tabla? Para alcanzar niveles de ruido de 2 nanoVoltios, se debe proporcionar la energía equivalente a la carga de 1Billón de picoFarad (0,001 Farad) desde la fuente de señal o desde los buffers o desde los amplificadores.

Answer 4

Te falta una consideración muy importante en cualquier diseño de este tipo: el firmware/software/drivers.

El uso de una tarjeta DAQ existente le proporciona todo eso y le permite concentrar sus recursos en el propio problema mediante abstracciones de alto nivel y no en los detalles técnicos de la interconexión.

Además, realmente dudo que puedas llevar tu ruido analógico a un nivel en el que 32 bits o 24 bits hagan alguna diferencia.