ADC de alta resolución frente a amplificadores

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

Los ADC de bits altos son bastante ingeniosos. Gran resolución, junto con un alto rango dinámico, elimina muchas preocupaciones de la cadena de señal.

Construí un sistema para biopotenciales con un chip de 32 bits. La calidad de la señal fue excelente, como todos mis cálculos me dijeron que sería, con solo una mínima amplificación y filtrado anti-aliasing. Dicho esto, mis datos estaban montados en lo que parecía ser una onda cuadrada "enorme" que no noté durante mi creación de prototipos. Me tuvo bastante desconcertado por un tiempo.

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

Eventualmente, tenía abierta la caja donde vivía esta cosa, y noté por casualidad que cuando el programador en la placa de desarrollo del microcontrolador que estaba usando no estaba enumerado por USB, un LED parpadeaba perfectamente al mismo tiempo que mi misteriosa onda cuadrada. Eso estaba haciendo que algo se hundiera, en el rango de microvoltios, eso era enorme en mi señal de 32 bits. ¡No estuvo presente durante la creación de prototipos, porque mi programador integrado estaba enumerado! ¡¡¡¡¡Esos bastardos!!!!! El problema se resolvió quitando la resistencia limitadora de corriente del LED.

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

Supongo que el punto es que seleccionar un ADC de 32 bits creó una opacidad divertida en mi cadena de señal que tuve que aprender por las malas. Esto fue muy parecido a mis primeras experiencias con los microcontroladores, en los que no puedes simplemente mirar dentro y saber qué está pasando.

Para resumir, los ADC de alto bit son una herramienta valiosa que hace que el diseño analógico sea muy sencillo. Dicho esto, son una herramienta, como cualquier otra, y la curva de aprendizaje puede ser un desafío. Afortunadamente, en mi caso, logré identificar mi problema. Puedo decirte que estaba bajo presión de tiempo real, trabajando bajo contrato con una compañía de dispositivos médicos. Estuve bajo bastante estrés durante unos días, hasta que encontré mi problema. Hay un momento y un lugar para comenzar a usar nuevas herramientas, y un momento y un lugar para lo probado y verdadero.

El ADC de 32 bits es engañoso. Incluso en su ganancia más alta, el pico de ruido es de aproximadamente 60 nV. Un ADC de 5V y 24 bits es 5/2^24 o 29nV por bit. Entonces, los 9 bits inferiores del ADC de 32 bits serán ruidosos. Hay ADC delta sigma menos ruidosos en el mercado.

¿Sería más adecuado usar amplificadores para cada canal individual en lugar de usar esta unidad de ADC? es decir, utilizando amplificadores de termopar y amplificadores de puente cuando corresponda?

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

En cuanto a su pregunta sobre el amplificador, nuevamente depende de cuáles sean los requisitos para el proyecto. Pero habrá un mejor control sobre cuánto ruido hay en su circuito si usa amplificadores analógicos, también costará más. El ADC también tiene muchos filtros digitales, por lo que en lugar de usar sensores analógicos y calcular el ancho de banda, puede cambiarlo con software.

Hace años realicé una evaluación de silicio de un ADC de 22 bits. Esperaba aprender, sorprenderme, desconcertarme. Era.

1) su mano, cara o cuerpo emiten calor, y las uniones de silicona MÁS CERCANAS a la fuente de calor estarán más calientes; dos diodos cercanos se separarían en 500 microvoltios, y experimentará unos 60 segundos de tiempo de asentamiento en el nuevo voltaje compensado; dado que 0,1 metros de cobre tienen 114 segundos de constante de tiempo térmico, podemos esperar que los flujos de calor sean un problema constante; Diseñé esos 2 diodos en el PCB Eval, para examinar el calentamiento por mi cara; un diodo sombreó 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 diferentes produce de 5 a 40 microvoltios por grado centígrado, y los PCB tienen muchas de esas transiciones metálicas. El desajuste térmico de las rutas diferenciales (Vin+, Vin-) se convierte en su desafío.

2) apareció la absorción dieléctrica de los capacitores; el filtrado de entrada usando RC de paso bajo, para explorar el piso de ruido del ADC, mostró 2 o 3 minutos de asentamiento; cuando se cortocircuita brevemente y luego se abre, aparece lentamente casi un milivoltio de carga almacenada

3) la resistencia de una lámina de cobre de 1 onza/pie^2 es de 0,000500 ohmios por cuadrado, para cualquier tamaño de cuadrado; 1milliAmp a través de un cuadrado generará 500 NanoVolts de error; planee usar el modelado de elementos finitos para diseñar su PCBS en el nivel de 32 bits. [editar los NanoVolts fue primero microVolts]

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

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

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

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

Vinduce = 1e-10 * 754 = 75 nanoVoltios

¿Por qué? porque la fina lámina de cobre no protegerá 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, todavía están zumbando con 200 o 500 miliVoltiosPP de ruido de riel MCU; ¿Qué tan cerca puede dejar que un rastreo de interfaz digital llegue a las señales de 32 bits, dado que la basura de MCU tiene patrones pseudoaleatorios (dependientes del programa) y no se puede confiar en que "promedie"?

6) algunos valores útiles para el ruido de tapa conmutada

10 picofaradios ................ 20 microvoltios RMS

1000 picofaradios ............ 2 microvoltios RMS

100.000 picofaradios ........ 200 nanovoltios RMS

10.000.000 picofaradios ..... 20 nanovoltios RMS

1 billón de picofaradios ............. 2 nanovoltios RMS

usando la fórmula: VruidoRMS = sqrt( K*T/C)

¿Para qué sirve esta mesa? para lograr niveles de ruido de 2 nanovoltios, la energía equivalente a la carga de 1 billón de picofaradios (0,001 faradios) debe proporcionarse desde la fuente de la señal, desde los búferes o desde los amplificadores.

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

El uso de una tarjeta DAQ existente le brinda todo eso y le permite concentrar sus recursos en el problema en sí a través de abstracciones de alto nivel y no en los detalles técnicos de la interfaz.

Además, realmente dudo que pueda llevar su ruido analógico a un nivel en el que 32 bits o 24 bits harían alguna diferencia.