Use a isolação para preservar a precisão e aprimorar o desempenho da aquisição de dados

À medida que a inteligência migra para a borda buscando resolver problemas novos e complexos, torna-se cada vez mais importante garantir a confiabilidade, a precisão e o desempenho da aquisição de dados (DAQ). Isso exige que os projetistas forneçam uma cadeia de sinais de precisão que isole o sinal adquirido do processador do sistema.

Garantir a isolação em uma cadeia de medição de sinal analógico de precisão é uma tarefa desafiadora. É necessária uma atenção cuidadosa aos detalhes para manter o desempenho da cadeia de sinais, apesar dos fatores que corrompem o sinal e do inevitável desvio de temperatura. Para muitos projetistas, pode ser útil entender melhor os problemas envolvidos antes de selecionar e usar a tecnologia de isolação adequada.

Este artigo discute as várias questões associadas ao desenvolvimento e à otimização de um sistema DAQ isolado de alto nível, em que a designação "alto nível" abrange atributos de precisão, integridade do sinal e consistência. Em seguida, apresenta as soluções de cadeia de sinais DAQ da Analog Devices e mostra como elas podem ser usadas para formar esse sistema.

Otimização de cada bloco funcional

Um sistema DAQ típico consiste em uma série de blocos funcionais, que permitem que o sinal passe do sistema físico por meio de um sensor. A partir daí, segue para um front-end analógico (AFE) para condicionamento do sinal, um conversor analógico-digital (ADC) para digitalização e, em seguida, uma leitura baseada em computador ou um controlador (que pode variar de um microcontrolador a um sistema muito maior) (Figura 1).

Figura 1: um sistema DAQ consiste em uma cadeia de sinais linear e bem definida do sistema físico medido e do sensor até o processador host. (Fonte da imagem: Bill Schweber)

A precisão e a exatidão do DAQ começam com a seleção dos componentes de condicionamento de sinal front-end, especialmente o pré-amplificador do transdutor. O funcionamento com baixo ruído está entre os muitos fatores críticos para essa função, pois é difícil reduzir o ruído interno posteriormente no projeto, que acabará sendo amplificado junto com o sinal desejado. Uma relação sinal-ruído (SNR) de referência é estabelecida aqui e, inevitavelmente, será ainda mais degradada à medida que o sinal passa por estágios adicionais.

Por esse motivo, os AFEs geralmente usam um amplificador operacional de função única (op amp) otimizado contra ruído. Uma boa opção de pré-amplificador front-end é o ADA4627-1BRZ-R7 da Analog Devices, um amplificador operacional JFET de 30 V (±15 V de alimentação dupla), alta velocidade, baixo ruído e baixa corrente de polarização. Entre suas várias especificações otimizadas para sensores, ele apresenta uma baixa tensão de offset de 200 µV (máximo), um desvio de offset de 1 μV/°C (típico) e uma corrente de polarização de entrada de 5 picoamperes (pA) (máximo). A especificação crítica de ruído de tensão é de 6,1 nV por raiz de hertz (nV/√Hz) a 1 quilohertz (kHz) (Figura 2).

Figura 2: o amplificador operacional JFET ADA4627 apresenta um ruído de tensão de 6,1 nV/√Hz (1 kHz). (Fonte da imagem: Analog Devices)

A isolação traz vários benefícios

Depois que o sinal tiver sido amplificado e digitalizado, a próxima etapa é estabelecer a isolação galvânica entre o sinal e a seção digital do sistema e o processador associado. Há três motivos principais para essa etapa:

1. Redução de ruído e interferência: a isolação galvânica pode eliminar variações de tensão de modo comum, loops de terra e interferência eletromagnética (EMI). Ela também evita que fontes externas de ruído corrompam o sinal adquirido, garantindo medições mais limpas e precisas.
2. Eliminação do loop de terra: os loops de terra podem introduzir diferenciais de tensão que distorcem o sinal medido. A isolação interrompe o caminho do loop de terra, removendo assim a interferência causada pela variação dos potenciais de terra e melhorando a precisão da medição.
3. Segurança e proteção: as barreiras de isolação oferecem segurança elétrica, evitando que picos, transientes ou surtos de tensão perigosos atinjam componentes de medição sensíveis. Isso protege o circuito de medição e os dispositivos conectados, garantindo uma operação segura e confiável. Além disso, essas barreiras eliminam o risco elétrico para os usuários se o sensor de baixo nível tocar, mesmo que brevemente, uma linha de alta tensão ou de corrente alternada.

Há várias técnicas disponíveis para implementar a isolação de sinais digitais com base em princípios magnéticos, ópticos, capacitivos e até mesmo de RF. A Analog Devices oferece uma família de soluções de alto desempenho, incluindo o isolador digital de cinco canais ADUM152N1BRZ-RL7 baseado em sua tecnologia proprietária iCoupler (Figura 3).

Figura 3: o isolador digital de cinco canais ADuM152N usa uma implementação proprietária de acoplamento magnético para obter alto desempenho. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Esses isoladores combinam circuitos CMOS de alta velocidade e tecnologia monolítica de transformador de núcleo de ar. Para garantir um desempenho compatível com as necessidades dos links digitais de alta velocidade, o atraso máximo de propagação é de 13 nanossegundos (ns), com uma distorção de largura de pulso inferior a 4,5 ns a 5 V e a correspondência de canal a canal do atraso de propagação é reduzida em 4,0 ns (máximo). Uma versão semelhante de dois canais, o ADUM120N1BRZ-RL7, está disponível para que o número total de canais isolados possa ser combinado com a largura do barramento.

Esses isoladores são otimizados para desempenho em alta velocidade com uma taxa de dados garantida de 150 megabits por segundo (Mbits/s). Eles oferecem uma alta imunidade a transientes de modo comum (CMTI) de 100 kV por microssegundo (kV/μs), suportam uma tensão nominal de 3 kV de raiz quadrada média (rms) e cumprem todas as exigências regulatórias pertinentes.

A isolação do sinal é apenas parte da história geral da isolação. Todos as trilhas de alimentação CC do sistema DAQ também devem ser isoladas. Na maioria das vezes, isso é feito usando um transformador como elemento de isolação.

Se a fonte de alimentação primária já for CA, ela passará pelo transformador e, em seguida, será retificada e regulada; se a fonte de alimentação for CC, ela deverá primeiro ser transformada em uma forma de onda CA. Isso é bastante simplificado com o uso de componentes como o LT3999, um controlador CC/CC de baixo ruído, 1 ampere (A), 50 kHz a 1 megahertz (MHz).

Um sistema DAQ completo e de alto desempenho requer componentes centrais e periféricos adicionais. Seu projeto e disposição devem garantir a medição precisa e a integridade dos dados. Além dos amplificadores e das barreiras de isolação, uma cadeia de sinais de precisão normalmente inclui elementos de filtragem, um ADC de alta resolução e comutadores. Esses componentes se combinam para eliminar o ruído, minimizar a interferência e fornecer uma representação precisa do sinal.

Juntando tudo

Um exemplo de uma cadeia de sinais isolada que usa esses componentes-chave é a ADSKPMB10-EV-FMCZ, uma plataforma de precisão que implementa um sistema DAQ de canal único, totalmente isolado e de baixa latência (Figura 4). Essa solução combina um amplificador de instrumentação de ganho programável (PGIA) para condicionamento de sinal a fim de atender as sensibilidades das várias interfaces de sensores com isolação digital e de alimentação em uma placa compacta.

Figura 4: a ADKSPMB10-EV-FMCZ é uma plataforma de precisão que implementa um sistema DAQ de canal único, totalmente isolada e de baixa latência. Uma placa de interposição de PMOD para FMC (bloco central) fornece isolação e outras funções. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para teste, ela é configurada como uma solução de várias placas que consiste na ADSKPMB10-EV-FMCZ em um fator de forma PMOD (Figura 5) junto com a placa de interface da plataforma de demonstração do sistema (SDP) EVAL-SDP-CH1Z. Entre essas duas placas há uma placa de interposição PMOD para FMC totalmente isolada.

Figura 5: a ADSKPMB10-EV-FMCZ (à esquerda) se conecta à placa de interface SDP (não mostrada) por meio da placa de interposição PMOD para FMMC (à direita). A zona de divisão vertical na placa de interposição mostra onde a barreira de isolação é implementada. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A ADSKPMB10-EV-FMCZ apresenta um PGIA discreto construído usando o amplificador operacional ADA4627-1. O PGIA tem a alta impedância de entrada necessária para suportar a interface direta com uma variedade de sensores. O módulo também apresenta uma rede de resistores de precisão quádruplos combinados para ajuste de ganho, um multiplexador de quatro canais e um conversor ADC amplificador totalmente diferencial para o ADAQ4003. O ADAQ4003 é um subsistema ADC e DAQ de 18 bits e 2 mega-amostras por segundo (MSPS) implementado como um μModule.

Esse módulo é mais do que apenas um ADC de alta resolução. Várias técnicas de redução de ruído estão incorporadas no ADAQ4003 para permitir a captura de sinais de alta fidelidade. Por exemplo, um filtro resistor-capacitor (RC) passa-baixa de polo único é colocado entre a saída do controlados ADC e as entradas do ADC dentro do μModule para eliminar o ruído de alta frequência e reduzir os "retornos" de carga da entrada do ADC interno.

Além disso, o layout do μModule garante que os caminhos analógicos e digitais sejam separados para evitar o cruzamento e minimizar o ruído emitido.

A placa de interposição PMOD para FMC totalmente isolada inclui o controlador CC/CC LT3999, os isoladores digitais de cinco e dois canais, um regulador de baixo ruído e baixa queda de tensão (LDO) e um LDO de ruído ultrabaixo. A placa de interposição funciona como uma ponte e se conecta à placa de interface SDP.

A placa de interface SDP realiza o processamento, o gerenciamento e a conectividade pós-aquisição. Essa placa tem um conector FMC de 160 pinos, uma fonte de alimentação de 12 V_CC que é regulada e particionada para as outras placas, um processador Blackfin com segurança por hardware para proteção de código e conteúdo, uma porta USB e um FPGA Spartan-6.

A prova está no desempenho

Avaliar o desempenho de um sistema DAQ de precisão não é um processo trivial, pois a instrumentação, o arranjo de testes e as métricas são fundamentais. Embora muitos parâmetros dinâmicos estejam correlacionados ao desempenho dos sistemas DAQ, os mais reveladores são a faixa dinâmica, a relação sinal-ruído (SNR) e a distorção harmônica total (THD).

A faixa dinâmica é o intervalo entre o ruído de fundo de um dispositivo e seu nível máximo de saída especificado.

A faixa dinâmica típica desse projeto, de 93 decibéis (dB) na maior configuração de ganho e de 100 dB na menor configuração de ganho, é impressionante (Figura 6). O aumento da taxa de sobreamostragem para um fator de 1024× melhora ainda mais a medição, atingindo um máximo de 123 dB e 130 dB, respectivamente.

Figura 6: a faixa dinâmica de aproximadamente 100 dB do circuito completo e da cadeia de sinais, dependendo do ganho e de outras configurações, indica um sistema DAQ de alto desempenho. (Fonte da imagem: Analog Devices)

SNR é a razão entre a amplitude do sinal rms e o valor médio da raiz quadrada da soma (RSS) de todos os outros componentes espectrais, excluindo harmônicos e CC. THD é a razão entre o valor rms do sinal fundamental e o valor médio do RSS de seus harmônicos.

A SNR e a THD desse projeto são claramente de alto desempenho, pois a cadeia de sinais atinge uma SNR máxima de 98 dB (Figura 7 (esquerda)) e uma THD de -118 dB (Figura 7 (direita)), dependendo das configurações de ganho.

Figura 7: juntamente com a faixa dinâmica, a alta SNR (esquerda) e a baixa THD (direita) fornecem evidências tangíveis do desempenho superior do DAQ com foco analógico. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

Projetar e implementar uma cadeia de sinais de precisão isolada que preserve a precisão, minimize o ruído e a interferência e garanta a integridade dos dados é uma tarefa importante do projeto e implementação. Felizmente, isso pode ser feito por meio do uso criterioso de amplificação de precisão, técnicas de isolação, módulos e ADCs de alta resolução e gerenciamento de energia de baixo ruído para permitir medições precisas, mesmo em ambientes eletricamente desafiadores. Isso é possível graças ao uso de componentes avançados da Analog Devices, desde amplificadores operacionais básicos até dispositivos de isolação avançados, com o suporte das funções periféricas necessárias, juntamente com fichas técnicas detalhadas e diretrizes de aplicação.