Como economizar espaço e tempo de desenvolvimento ao projetar sistemas de aquisição de dados de precisão

Os projetistas de sistemas para automação industrial e saúde estão empregando cada vez mais a tecnologia avançada de sensoriamento, detecção e captura de imagem e vídeo para digitalização e análise. Entretanto, a análise é apenas tão boa quanto os dados de entrada, cuja aquisição depende de alto desempenho, faixa dinâmica elevada, condicionamento de sinal preciso e estável e blocos de conversão. O projeto desses blocos usando métodos de circuitos discretos requer recursos consideráveis de projeto, tempo e espaço da placa, o que aumenta o custo total.

Ao mesmo tempo, os projetistas precisam assegurar que seus sistemas finais permaneçam competitivos, o que significa reduzir ao máximo o custo e o tempo de colocação no mercado, garantindo ao mesmo tempo um desempenho excepcional.

Este artigo descreve brevemente um sistema típico de aquisição de dados e seus elementos centrais. Em seguida, introduz um módulo de aquisição de dados (DAQ) da Analog Devices Inc. que integra muitos desses elementos críticos para fornecer um desempenho estável de 18 bits e 2 mega-amostras por segundo (MS/s). Uma placa de avaliação também é introduzida para ajudar os projetistas a se familiarizarem com o módulo e a forma de usá-lo.

Elementos de um sistema de DAQ

Um sistema típico de aquisição de dados é mostrado na Figura 1. O sinal de interesse é captado por um sensor que emite um sinal elétrico em resposta a alguns fenômenos físicos. As saídas do sensor podem ter terminais simples ou diferenciais e podem exigir algum condicionamento de sinal, como filtragem. Para obter a máxima faixa dinâmica possível do conversor analógico-digital (ADC), o sinal deve ser amplificado para corresponder à faixa de tensão de entrada do ADC. O ganho e compensação do amplificador são geralmente controlados por resistores de precisão que devem ser cuidadosamente casados para considerações dinâmicas e de desvio de temperatura. As dependências de temperatura geralmente exigem que os componentes estejam próximos fisicamente. As condições dinâmicas incluem níveis de ruído e distorção que devem ser minimizados.

Figura 1: Um sistema DAQ típico adquire dados de um sensor, condiciona-os, otimiza a amplitude do sinal aplicado ao ADC, e comunica os dados digitais ao processador do sistema. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O ADC com registrador de aproximação sucessiva (SAR) deve ter faixa dinâmica suficiente, indicada pelo número de bits de resolução. Também requer uma referência de tensão com buffer, estável e limpa.

Finalmente, os dados adquiridos têm de ser acessíveis através de uma interface de comunicação. Implementar tal sistema de aquisição de dados utilizando componentes discretos requer mais espaço físico e muitas vezes resulta em um desempenho muito inferior ao obtido a partir de um dispositivo integrado. Como exemplo, considere que os requisitos de desempenho de um amplificador diferencial para acionar um ADC são tais que ele deve ter os resistores de entrada e de realimentação em ambos os canais de entrada do amplificador intimamente casados, já que qualquer desequilíbrio diminuirá a relação de rejeição do modo comum (CMRR). Da mesma forma, os resistores de entrada devem ser precisamente casados com os resistores de realimentação para definir o ganho do estágio. Estes resistores também devem ser rastreados em relação a temperatura, exigindo que estejam localizados próximos uns dos outros. Além disso, a disposição geral do circuito é fundamental para preservar a integridade do sinal e minimizar a resposta parasita.

O módulo DAQ integrado economiza tempo e espaço

Para atender às exigências de desempenho enquanto reduzem o tamanho e o tempo de projeto, os projetistas podem usar o sistema de µMódulo da Analog Devices ADAQ4003BBCZ num invólucro (SIP) como uma alternativa para implementações discretas (Figura 2). Medindo 7 x 7 milímetros (mm), o ADAQ4003 se concentra na integração das seções mais comuns de uma cadeia de sinais, incluindo condicionamento e digitalização de sinais, para fornecer uma solução mais completa de cadeia de sinais com desempenho avançado. Ao fazer isso, preenche a lacuna entre os componentes discretos padrões e os CIs altamente integrados específicos do cliente para resolver as necessidades de aquisição de dados.

Figura 2: Uma vista de corte de um µMódulo SIP que combina múltiplos blocos de processamento de sinal comum em um único dispositivo medindo apenas 7 mm em um lado. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O ADAQ4003 combina um ADC SAR de alta resolução de 18 bits, rodando a até 2 MS/s, um amplificador de driver ADC de baixo ruído, totalmente diferencial (FDA), um buffer de referência de tensão estável, e todos os dispositivos passivos críticos necessários. Seu pequeno invólucro BGA ("ball grid array") de 49 contatos atende aos requisitos de fator de forma compacto.

O ADAQ4003 oferece uma redução melhor do que quatro vezes (4x) na área da placa em relação a um layout discreto, como mostrado na Figura 3.

Figura 3: O ADAQ4003 (esquerda) com sua cobertura removida em comparação com um circuito idêntico implementado com componentes discretos ocupa menos de um quarto da área de superfície. (Fonte da imagem: Analog Devices)

As vantagens do µMódulo em comparação com a implementação discreta são muitas. Com menor pegada, os componentes estão fisicamente próximos para melhor rastreamento da temperatura, assim como a redução dos efeitos parasitas devido à capacitância indesejada e indutância dos terminais condutores.

O diagrama de blocos funcionais do ADAQ4033 mostra os quatro componentes-chave encontrados em cada sistema de aquisição de dados (Figura 4).

Figura 4: O diagrama de blocos funcionais do ADAQ4003 mostra quanto ele encapsula em seu invólucro BGA de 7 x7 mm, 49 contatos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Apesar de seu pequeno tamanho físico, o ADAQ4003 incorpora os componentes passivos críticos, utilizando a tecnologia iPassives da Analog Devices. Os componentes passivos integrados são fabricados em substratos onde múltiplas redes passivas são produzidas ao mesmo tempo. O processo de fabricação produz estas peças com grande precisão. Por exemplo, os componentes da cascata de resistores são casados dentro de 0,005 %. Os componentes adjacentes, espaçados muito próximos, são bem casados em valor inicial, certamente muito melhor do que os passivos discretos. Implementados em um substrato comum, os valores dos componentes também acompanharão melhor a temperatura, a tensão mecânica e o envelhecimento por toda a vida útil, devido à estrutura integrada do componente.

Como mencionado, o ADC SAR de 18 bits pode ser temporizados em até 2 MS/s, mas opera sem estados de código ausentes. O valor preciso e o casamento dos componentes passivos garantem um excelente desempenho do ADC. Tem uma relação típica de sinal para ruído e distorção (SINAD) de 99 decibéis (dB) com um ajuste de ganho de 0,454. Sua não-linearidade integral é tipicamente de 3 partes por milhão (ppm). A cascata de resistores de entrada pode ser conectada aos pinos, permitindo ajustes de ganho de 0,454, 0,909, 1,0 ou 1,9 para adequar a entrada ao fundo de escala do ADC, maximizando assim sua faixa dinâmica. O casamento dos componentes críticos resulta em um desvio de erro de ganho de ± 0,5 ppm/°C e um desvio de erro de compensação de 0,7 ppm/°C na faixa de ganho de 0,454.

O bloco ADC é precedido pelo amplificador FDA com um CMRR de 90 dB em todas as faixas de ganho na configuração diferencial. O amplificador tem uma faixa de entrada de modo comum muito ampla que depende das configurações específicas do circuito e das configurações de ganho. O FDA pode ser usado como um amplificador diferencial, mas também pode realizar conversão de terminais simples para diferencial para entradas de terminais simples.

Existe um filtro RC de pólo único, implementado diferentemente usando componentes internos entre o amplificador FDA e o ADC. Isto é projetado para limitar o ruído nas entradas do ADC e reduzir o efeito dos retornos de tensão provenientes da entrada do conversor capacitivo de digital para analógico (DAC) de um ADC SAR.

O ADAQ4003 também abriga um buffer de referência configurado em ganho unitário para acionar de forma ideal a impedância dinâmica de entrada do nó de referência do ADC SAR. Todos os capacitores de desacoplamento necessários para o nó de referência de tensão e fontes de alimentação também estão incluídos. Estes capacitores de desacoplamento apresentam baixa resistência em série equivalente (ESR) e baixa indutância em série equivalente (ESL). O fato de serem internos ao ADAQ4003 simplifica ainda mais a lista de materiais (BOM).

A interface digital para o ADAQ4003 usa uma interface periférica serial (SPI) compatível com DSP, MICROWIRE e QSPI. Usando uma fonte VIO separada, a interface de saída é compatível com lógica de 1,8 volts, 2,5 volts, 3 volts ou 5 volts.

O ADAQ4003 opera com baixa dissipação de potência — apenas 51,5 miliwatts (mW) à taxa máxima de clock de 2 MS/s — e com menor dissipação de potência a taxas de clock mais baixas.

O layout físico do ADAQ4003 ajuda os projetistas a manter a integridade e o desempenho do sinal, separando os sinais analógicos e digitais. A pinagem tem sinais analógicos à esquerda e digitais à direita, permitindo aos projetistas isolar seções analógicas e digitais sensíveis para minimizar qualquer distorção.

Modelos de circuitos

A Analog Devices disponibiliza modelos de simulação, fornecendo um modelo para o ADAQ4003 em seu simulador LTspice gratuito. Também disponibiliza um modelo IBIS para outros simuladores de circuitos comerciais.

LTspice inclui um circuito básico de referência usando o ADAQ4003, mostrado na Figura 5. O dispositivo é usado em uma configuração de entrada diferencial, e os resistores de entrada são conectados para ajustar o ganho do FDA para 0,454, colocando os resistores de entrada 1,0 e 1,1 quilohm (kΩ) em série. A tensão de referência do modelo é de 5 volts, e usa um clock de conversão de 2 MS/s.

Figura 5: A ADI disponibiliza modelos de simulação LTspice para o ADAQ4003 utilizando uma configuração de entrada diferencial. (Fonte da imagem: Art Pini)

O modelo LTspice é um ponto de partida para qualquer projeto que pode ser verificado posteriormente usando uma placa de avaliação.

Placas de avaliação

Ao considerar o ADAQ4003, é prudente executá-lo através de seus ritmos usando a placa de avaliação EVAL-ADAQ4003FMCZ. Este conjunto de várias placas inclui a placa de avaliação e uma placa mezanino de matriz programável em campo. Estas funcionam com a plataforma de demonstração do sistema EVAL-SDP-CH1Z da Analog Devices. A ADI também fornece software demo de Análise/Controle/Avaliação (ACE) com plugins específicos do produto, permitindo ao usuário realizar testes detalhados do produto incluindo análise harmônica, e medições de não-linearidade integral e diferencial.

Conclusão

Para os projetistas encarregados de desenvolver rapidamente sistemas de DAQ de alto desempenho, mantendo o tamanho e o custo ao mínimo, o µMódulo ADAQ4003 é uma boa opção. O dispositivo reduz o ciclo de desenvolvimento de um sistema de medição de precisão ao remover os desafios de projeto da cadeia de sinais de seleção de componentes discretos, otimização e layout. O ADAQ4003 simplifica ainda mais o processo de projeto, fornecendo um único componente com uma solução otimizada e eficiente em termos de espaço para a aquisição de dados como base para um projeto personalizado.