Gli obiettivi di progetto degli attuali sistemi di controllo industriali prevedono che gli stessi siano più veloci, più precisi e più piccoli, ma consumino meno e siano più affidabili. I progettisti di questi sistemi devono scegliere componenti che garantiscano il raggiungimento di questi obiettivi. Uno dei componenti centrali di un sistema di controllo industriale è il convertitore analogico/digitale (ADC).
I progettisti di sistemi possono scegliere tra vari tipi di ADC, tra cui architetture a pipeline, delta-sigma e SAR (Successive Approximation Register). Senza entrare nei dettagli del funzionamento di un ADC, esistono diverse caratteristiche di cui tenere conto quando se ne seleziona uno. Gli ADC a pipeline offrono tempi di conversione molto rapidi, possono digitalizzare segnali in ingresso molto veloci con una bassa distorsione, ma consumano correnti di alimentazione elevate, hanno un rapporto segnale/rumore (SNR) scarso e ritardi nella pipeline (ritardo di un numero fisso di campioni tra il momento in cui l’ingresso viene campionato e il momento in cui i dati sono disponibili).
Il problema del rapporto segnale/rumore scarso può essere superato con la tecnica dell’averaging che però comporta una riduzione della velocità di campionamento effettiva. Il ritardo nella pipeline oscura la caratteristica di tempo reale dei dati, rendendo difficoltosa la regolazione dei loop di controllo. Gli ADC delta-sigma eccellono nelle applicazioni che richiedono una precisione elevata ed un basso rumore, ma la bassa velocità di campionamento ne limita l’uso alle applicazioni quasi DC. Gli ADC SAR sono in grado di offrire velocità di conversione che vanno da qualche megahertz fino alla corrente continua e possono gestire segnali in ingresso dalla corrente continua fino a decine di megahertz, con un buon rapporto segnale/rumore e una bassa distorsione. Gli ADC SAR possono campionare in base alle necessità e fornire i dati senza ritardi nella pipeline, garantendo un feedback puntuale ai sistemi di controllo e un loop di controllo rigoroso con una buona risposta ai transienti.
Adc SAR avanzati
L’LTC2379-18 di Linear Technology rappresenta un notevole passo avanti per quanto riguarda i convertitori SAR. L’LTC2379-18 è un ADC SAR a 18 bit e 1,6 Msps che consuma solo 18mW ed è disponibile in package MSOP-16 e DFN da 4mm x 3mm. Funzionando da un’alimentazione da 2,5V, l’LTC2379-18 offre un range di ingresso completamente differenziale compreso tra +/-2,5V e +/-5,1V, impostato da Vref. Con una distorsione armonica totale (THD) inferiore a -115dB, un rapporto segnale/rumore maggiore di 98dB, una non linearità integrale (INL) inferiore a 2LSB, senza codici mancanti a 18 bit e un funzionamento garantito fino a 125˚C, l’LTC2379-18 offre la velocità, la precisione, il basso consumo e l’affidabilità richieste dai sistemi di controllo moderni.
Adc più veloci consentono di misurare incrementi temporali ridotti
Il controllo più approfondito, richiesto dai sistemi moderni, comporta la capacità di misurare incrementi tempo rali più piccoli. Tale capacità in un loop in tempo reale è limitata dalla velocità di campionamento massima dell’ADC. La velocità di campionamento massima è inversamente associata alla somma del tempo di conversione e del tempo di acquisizione dell’ADC. Di solito si pensa che gli ADC seriali siano più lenti di quelli paralleli a causa del tempo necessario per spostare i dati. Nel caso di un ADC seriale, i dati vengono solitamente trasferiti durante il periodo di acquisizione. Se il tempo di trasferimento dei dati è inferiore al tempo di acquisizione, la frequenza di campionamento massima dell’ADC seriale non è più lenta rispetto a un ADC parallelo con tempi di conversione e di acquisizione simili. L’LTC2379-18 ha un tempo di acquisizione minimo di 200ns che è approssimativamente uguale al tempo minimo di trasferimento dei dati di 180ns, il che indica che questa parte è ottimizzata per una frequenza di campionamento massima.
Oltre al numero dei bit è importante anche una maggiore precisione
I sistemi di controllo richiedono, oltre ad un controllo più approfondito, una precisione maggiore. Passando da prestazioni a 16 bit a prestazioni a 18 bit, è importante andare oltre il semplice numero di bit: non bisogna lasciarsi ingannare dai “bit del marketing”. Occorre controllare che l’ADC sia specificato "senza codici mancanti" su tutto il range di temperature. Un ADC con un buon rapporto segnale/rumore offre un margine di rumore maggiore durante le misurazioni, rendendo meno necessario l’averaging; in questo modo i loop di controllo mostrano ritardi inferiori e sono più stabili. Le applicazioni in corrente continua richiedono buone specifiche INL e DNL, mentre le applicazioni in corrente alternata richiedono una buona specifica THD. La FFT nella figura 1 mostra le prestazioni tipiche dell’LTC2379-18, tra cui un rapporto segnale/rumore di 101,2dB e una distorsione armonica totale di -120dB.
Figura 1: la FFT a 32k mostra una bassa distorsione ed un basso rumore dell’LTC2379-18.
Dimensioni ridotte, più canali
L’LTC2379-18 è compatibile con lo standard SPI ed è in grado di interfacciarsi con famiglie logiche di 1,8V, 2,5V, 3,3V e 5V. La modalità con collegamento a margherita illustrata nella figura 2, consente a più LTC2379-18 di condividere le linee SPI e Busy, il che è utile nei casi in cui tanti convertitori potrebbero rendere poco pratico il numero dei segnali necessari. La modalità sopra indicata è utile anche con la sincronizzazione dei dati da diversi canali, operazione necessaria per mantenere le informazioni di fase tra canali. La linea Busy può essere eliminata se l’host digitale riesce ad attendere la fine del tempo di conversione massimo prima di iniziare il trasferimento dei dati, con conseguente riduzione del numero delle linee da quattro a tre.
Figura 2: la modalità CHAIN dell’LTC2379-18 consente a più ADC di comunicare con un processore host usando solo quattro cavi.
Il basso consumo riduce i costi e semplifica i progetti
Mano a mano che i sistemi di controllo diventano più complessi e il numero di canali aumenta con il diminuire dei requisiti in termini di spazio, la riduzione dei consumi acquista importanza. La riduzione dei consumi comporta, oltre a un contenimento dei costi d’esercizio, una semplificazione della gestione termica. La selezione di componenti con funzioni integrate di gestione dell’alimentazione facilita la riduzione dei consumi. Ad esempio, l’LTC2379-18 si spegne automaticamente dopo una conversione, con conseguente riduzione della dissipazione di potenza a velocità di campionamento basse. Gli ADC ad alimentazione singola hanno solitamente un range di ingresso analogico che va da 0 a Vref. Considerati i requisiti di spazio del driver, significa che il driver che comanda l’ADC richiede una tensione di alimentazione di qualche centinaia di millivolt maggiore di Vref e un’alimentazione negativa di qualche centinaia di millivolt sotto lo zero. Questo vale anche con i driver rail-to rail perché la distorsione aumenta mano a mano che l’uscita si avvicina ad alimentazioni positive e negative. Finora questo ha significato operare con un’alimentazione singola e gettar via migliaia di codici vicino a zero e V+ per mantenere bassa la distorsione oppure operare con un’alimentazione separata e consumare più energia. La funzione digitale di compressione del guadagno, disponibile nell’LTC237918, consente di raggiungere una dinamica dei segnali di uscita dell’ADC da zero al fondo scala con un ingresso che va dal 10% al 90% della tensione in ingresso analogica di +/-Vref. Per un riferimento a 5V, questo significa che il range di ingresso analogico è compreso tra 0,5V e 4,5V, pur mantenendo i 262.144 codici di uscita, come indicato nella figura 3. La compressione del range di ingresso analogico offre al driver dell’ADC più spazio sopra lo zero e al di sotto della tensione di alimentazione positiva. Questa funzione consente al buffer dell’LTC2379-18 di essere alimentato da una sola alimentazione, con conseguente riduzione dei consumi.
Figura 3: la compressione digitale del guadagno dell’LTC2379-18 riduce il range di ingresso analogico, ma mantiene il range di uscita digitale, consentendo un funzionamento ad alimentazione singola.
L’affidabilità rende i prodotti più interessanti
L’affidabilità è uno degli obiettivi principali della progettazione di sistemi di controllo. I clienti vogliono comprare prodotti affidabili. Aumento dei margini di rumore, rilevazioni più precise, riduzione del numero delle linee di segnale e delle alimentazioni, bassi consumi e buona gestione termica: tutti questi aspetti rendono un sistema più affidabile. Altrettanto importante è la selezione di componenti di qualità elevata, ADC incluso. E’ necessario garantire che tutte le principali specifiche dell’ADC (per esempio, INL, DNL, SNR e THD) vengano perfettamente soddisfatte, e non solo quelle tipiche. E’ importante anche che le specifiche siano garantite in tutto il range di temperature in cui il sistema deve operare.
Un esempio di alimentazione singola dimostra i vantaggi offerti dall’ltc2379-18
L’LT6350 può essere usato per immagazzinare e convertire grandi segnali bipolari veri che oscillano dallo zero al range di ingresso differenziale ±4V dell’LTC2379-18, con la compressione digitale del guadagno attivata per massimizzare la variazione del segnale da digitalizzare. La figura 4 mostra l’LT6350 che viene usato per convertire un vero segnale bipolare di ±10V per l’LTC2379-18. In questo caso, il primo amplificatore dell’LT6350 è configurato come stadio di amplificazione di inversione che opera per attenuare e trasferire il segnale in ingresso nel range di ingresso da 0,5V a 4,5V dell’LTC2379-18. Nella configurazione con amplificatore di inversione, l’impedenza di ingresso è impostata dal resistore RIN che deve essere scelto con cura in base all’impedenza alla sorgente del segnale. Valori maggiori di RIN tendono a degradare sia il rumore che la distorsione dell’LT6350 e dell’LTC2379-18 come sistema. Valori inferioridi RIN possono essere dificili da gestire. I resistori sugli ingressi del primo amplificatore dell’LT6350 devono essere selezionati in modo da raggiungere l’attenuazione desiderata, la tensione in uscita in modalità comune e per mantenere un’impedenza in ingresso bilanciata. Il circuito nella figura 4 ha un rapporto segnale/rumore di 99dB e una distorsione armonica totale di -95dB.
Figura 4: LTC2379-18 e LT6350 accettano un segnale in ingresso a ±10V, partendo da un’alimentazione singola di 6V.
Conclusioni
I sistemi di controllo industriali richiedono un controllo più approfondito sia del tempo che della grandezza. I progettisti di questi sistemi hanno bisogno di tanti canali, ma devono tenere conto dei limiti in termini di spazio e potenza e dell’esigenza di affidabilità. Con velocità di conversione rapide, buone specifiche SNR, THD e INL e la capacità di campionare quando necessario, gli ADC SAR possono aiutare i progettisti a raggiungere i loro obiettivi. L’ADC SAR a 18 bit LTC2379-18 di Linear Technology è un’ottima soluzione per i progettisti di sistemi ad alta precisione, con la sua velocità di conversione a 1,6 Msps, un rapporto segnale/rumore garantito di 98dB, un consumo di 18mW, un collegamento a margherita che consente a più ADC di condividere solo 3 linee e una funzione digitale di compressione del guadagno che consente a questo dispositivo di essere controllato da amplificatori ad alimentazione singola.
