Simulation de la chaîne de signaux d'acquisition de données pour simplifier la sélection et le test des composants

Concevoir un système d'acquisition de données signifiait autrefois rechercher la bonne combinaison de composants parmi une multitude de fiches techniques et dépanner des prototypes assemblés à la va-vite. Désormais, les concepteurs peuvent gagner du temps et éviter les déconvenues grâce à des outils de conception numérique qui leur permettent de glisser-déposer des modèles de composants tels que des capteurs, des blocs de mise en forme des signaux analogiques, des convertisseurs analogique-numérique (CAN) et des filtres numériques dans une chaîne de signaux virtuelle. Le logiciel simule le résultat de la chaîne virtuelle, ce qui permet au concepteur de voir comment les composants choisis affectent des paramètres tels que le rapport signal/bruit (SNR), l'erreur de gain et de décalage, et la puissance.

Precision Studio, la suite de conception numérique d'Analog Devices, Inc. (ADI), comprend Signal Chain Designer, un module qui aide les concepteurs à simuler leurs systèmes d'acquisition de données avant de les concevoir. Dans Signal Chain Designer, l'utilisateur choisit un capteur, définit les paramètres du modèle, puis insère des blocs de circuits représentant les composants de la chaîne de signaux (Figure 1).

Figure 1 : Dans Precision Studio d'ADI, Signal Chain Designer permet aux concepteurs de choisir un capteur, puis de faire glisser et de déposer des blocs de circuit dans la chaîne afin de simuler des composants d'acquisition de données. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le signal du capteur doit passer par plusieurs étapes avant d'aboutir à des données fiables, et chaque étape comprend un ou plusieurs composants électroniques ou de circuit intégré qui préparent le signal pour l'étape suivante. Les étapes les plus courantes consistent à amplifier le signal analogique, à le filtrer, à le convertir en signal numérique, puis à filtrer le signal numérique.

Étape d'amplification du signal analogique

Les signaux analogiques générés par les capteurs ne correspondent souvent pas aux valeurs d'entrée optimales du système d'acquisition de données. L'étape d'amplification du signal analogique fait intervenir des amplificateurs opérationnels, des amplificateurs entièrement différentiels et des références de tension, ainsi que des composants passifs tels que des résistances, des condensateurs et des inductances, afin de convertir le signal du capteur en un format exploitable par le système d'acquisition de données.

Dans Signal Chain Designer, l'utilisateur spécifie les types d'entrée et de sortie de l'étape d'amplification analogique, le gain nécessaire et le décalage de niveau requis pour obtenir une entrée de tension correcte. Le logiciel crée ensuite un circuit qui répond aux paramètres spécifiés à l'aide des produits d'ADI et génère un schéma.

Par exemple, pour le capteur utilisé à la Figure 1 avec une impédance de 1 kΩ à 1 kHz et une capacité de 100 pF, l'utilisateur peut spécifier un gain de 2 V/V et un décalage de niveau de 2,5 V (Figure 2).

Figure 2 : Les utilisateurs de Signal Chain Designer spécifient la configuration, le gain, le décalage de niveau et d'autres paramètres de l'étape d'amplification du signal analogique. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Sur la base de ces paramètres, le logiciel construit un schéma de circuit pour l'étape d'amplification du signal analogique (Figure 3, en haut) contenant un amplificateur opérationnel ADA4097-2. Les amplificateurs opérationnels de la gamme ADA4097-2 ne nécessitent que 32,5 µA par canal pour atteindre un produit gain-bande passante (GBP) de 130 kHz pour un gain en tension de signal élevé, avec un bruit de 1000 nV crête-à-crête (_P-P) entre 0,1 Hz et 10 Hz et une fréquence de coin du bruit en 1/f typique à 6 Hz.

Le logiciel développe également un circuit de référence pour l'étape d'amplification avec une référence de tension à barrière de potentiel de précision LTC6655B-2.5 et un amplificateur opérationnel AD8510 (Figure 3, en bas), tous deux fournis par la société ADI.

Figure 3 : Schéma du circuit de l'étape d'amplification du signal analogique de Signal Chain Designer, basé sur les spécifications de l'utilisateur et comprenant les composants électroniques appropriés d'ADI. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le LTC6655B-2.5 présente un bruit de 625 nV_P-P pour 0,25 ppm_P-P entre 0,1 Hz et 10 Hz, une précision maximale de ±0,025 % et une faible dérive de tension de 2 ppm/°C maximum, garantissant une tension de signal stable quelles que soient les variations de la charge et de la tension d'entrée. L'amplificateur opérationnel à transistor à effet de champ à jonction (JFET) AD8510 présente généralement un bruit spectral de 8 nV à 1 kHz, nécessite seulement 25 pA de courant de polarisation d'entrée, et s'établit dans une bande d'erreur de 0,1 % en moins de 500 ns.

Signal Chain Designer permet également à l'utilisateur de spécifier comment les signaux sont mis en forme à ce stade. Les utilisateurs peuvent configurer des amplificateurs entièrement différentiels, des amplificateurs de mesure ou des amplificateurs de détection de courant.

Étape de filtrage des signaux analogiques

Le signal analogique amplifié doit ensuite être filtré pour éliminer le bruit et la distorsion introduits par l'amplification. Les filtres peuvent utiliser des composants passifs tels que des résistances et des condensateurs pour créer des filtres du premier ordre qui présentent des atténuations douces de -20 dB/décade après la fréquence de coupure. Les filtres de deuxième ordre et d'ordre supérieur sont généralement des filtres actifs qui utilisent un ou plusieurs amplificateurs opérationnels pour obtenir des atténuations plus nettes.

La configuration du filtre détermine s'il atténue les fréquences supérieures à la fréquence centrale f₀ (passe-bas), inférieures à f₀ (passe-haut), en dehors de deux fréquences de coupure (passe-bande), ou en dehors d'une bande de fréquences spécifique (coupe-bande ou à bande étroite). D'autres paramètres du filtre, comme le facteur Q, affinent encore la réponse du filtre, en définissant la netteté des atténuations, le comportement transitoire et la forme de la bande passante.

Dans Signal Chain Designer, les utilisateurs peuvent configurer les paramètres des filtres simples en choisissant le type de filtre et en spécifiant les paramètres clés. L'assistant de filtre de Signal Chain Designer permet également de concevoir des filtres simples, jusqu'au troisième ordre et au-delà, puis de réimporter le filtre dans la conception de la chaîne de signaux numériques. Dans l'exemple (Figure 4), l'utilisateur opte pour un filtre passe-bas avec une fréquence f₀ de 10 kHz et un facteur Q de 0,707. Le filtre de type Sallen-Key sélectionné utilise un seul amplificateur opérationnel pour accepter une impédance d'entrée élevée et produire un signal à faible impédance avec une stabilité optimale.

Figure 4 : Les utilisateurs définissent les paramètres de l'étape de filtrage analogique dans Signal Chain Designer, notamment le type de filtre, f₀, le facteur Q et le gain. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Avec ces paramètres, Signal Chain Designer génère un circuit comprenant l'amplificateur opérationnel rail-à-rail LT6020 d'ADI (Figure 5). Le LT6020 consomme moins de 100 µA mais peut néanmoins réagir rapidement aux changements du signal d'entrée avec une vitesse de balayage de 5 V/µs. Il maintient un produit gain-bande passante (GBP) de 400 kHz sur une plage de températures comprise entre -40°C et +125°C.

Figure 5 : Le schéma du circuit de l'étape de filtrage du signal analogique produit par Signal Chain Designer spécifie un amplificateur opérationnel LT6020 avec une vitesse de balayage élevée et une faible consommation comme filtre passe-bas Sallen-Key de deuxième ordre. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Étape de conversion analogique-numérique

L'étape finale du trajet d'un signal, depuis la réponse du capteur jusqu'aux données, consiste à convertir le signal analogique en signal numérique. Les architectures de CAN courantes comprennent le registre d'approximations successives (SAR) pour une résolution satisfaisante à une fréquence d'échantillonnage modérée, et Delta-Sigma (ΔΣ) pour une haute résolution à des vitesses d'échantillonnage plus faibles. Pour obtenir la sortie numérique souhaitée, les concepteurs doivent connaître le type d'entrée, la résolution du système et le débit de données en sortie.

Les utilisateurs spécifient ces paramètres dans Signal Chain Designer, et le logiciel produit un circuit CAN comprenant une référence de tension et un filtre résistif/capacitif (RC) passif à l'entrée. Certains CAN permettent également aux utilisateurs d'intégrer un filtrage numérique ou de définir les CAN en mode haute impédance (Hi-Z) pour des conceptions plus simples et moins gourmandes en énergie.

Dans l'exemple (Figure 6), la sortie de Signal Chain Designer spécifie la référence de tension ADR4525 d'ADI et le CAN ΔΣ AD7175-2. L'ADR4525 présente une stabilité en température satisfaisante avec des coefficients de température compris entre 0,8 ppm/°C et 4,0 ppm/°C, et un bruit de sortie de 1 µV_P-P à 2,048 V_OUT et 0,1 Hz à 10 Hz. L'AD7175-2 est un CAN 24 bits avec un débit de 250 000 échantillons par seconde (250 Kéch./s) et un temps de stabilisation de 20 µs.

Figure 6 : À l'étape de conversion analogique-numérique, le schéma du circuit de Signal Chain Designer comprend un filtre d'entrée RC passif, une référence de tension et un module CAN. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Quel que soit le stade de la chaîne de signaux, l'utilisateur peut consulter un tableau des produits présentant les composants de remplacement appropriés. Par exemple, un concepteur peut choisir de remplacer le CAN ΔΣ présenté dans l'exemple par un CAN SAR tel que le modèle AD4008. L'AD4008 consomme entre 70 µW à 10 Kéch./s et 14 mW à 2 Méch./s, sa puissance maximale. Le fonctionnement pseudo-différentiel permet une précision de 16 bits avec une conception simplifiée en mode Hi-Z.

Après la conversion analogique-numérique, les concepteurs peuvent optimiser la sortie en intégrant des blocs de filtrage numérique dans la conception en aval du CAN dans Signal Chain Designer. Les options disponibles dans ces blocs de filtrage numérique comprennent des moyennes, des filtres de premier et de deuxième ordres et des filtres CIC simples à moyenne mobile.

Après avoir créé un système d'acquisition de données virtuel à l'aide de Signal Chain Designer, les utilisateurs ont la possibilité de simuler la réponse en fréquence, le bruit, le bilan d'erreur CC, la puissance et les plages d'entrée à partir du logiciel. Pour obtenir des simulations plus personnalisées, Signal Chain Designer peut créer des bancs d'essai virtuels qui peuvent être modifiés et exécutés dans LTspice.

Conclusion

Des outils numériques tels que Signal Chain Designer d'ADI permettent de réduire les incertitudes et les déconvenues liées à la conception d'un système d'acquisition de données de précision. Grâce à ses nombreux modèles d'amplificateurs opérationnels, de références de tension, de CAN et d'autres composants facilement disponibles dans le logiciel, Signal Chain Designer permet aux utilisateurs d'affiner leurs systèmes d'acquisition de données de manière virtuelle, assurant ainsi une transition en douceur vers l'acquisition et le déploiement du matériel.