Molti sistemi di controllo industriali mantengono la regolazione precisa di un parametro critico, sia esso elettrico, meccanico termico o idraulico, attraverso l'utilizzo di sofisticati loop di controllo grado elevato. In un'era di rapidi miglioramenti tecnologici, i progettisti dei sistemi di controllo stanno fronteggiando sfide senza precedenti nella realizzazione di propri obiettivi di design. I sistemi devono essere più veloci, più accurati e più flessibili che mai e integrare al tempo stesso un numero maggiore di funzionalità in contenitori sempre più piccoli e dissipare meno energia. Di conseguenza sono necessarie nuove soluzioni che non solo migliorano le prestazioni dei progetti esistenti, ma che abilitano anche nuove funzionalità. Il fulcro di molti sistemi di controllo industriali è un convertitore analogico-digitale. L'Adc svolge un ruolo cruciale in sistemi quali monitor dei grid di alimentazione, switch di reti ottiche e sistemi di fabbricazione robotizzati, convertendo singoli segnali dal dominio analogico a quello digitale per l'elaborazione dei segnali digitali. La conversione analogico-digitale deve essere eseguita a una risoluzione e a una velocità sempre maggiori e a bassa potenza.
Migliorare il sistema di controllo
Molti progettisti di sistemi di controllo si affidano a convertitori A/D Sar (Successive approximation register) per digitalizzare con precisione i segnali analogici critici. Sostanzialmente gli Adc Sar si caratterizzano per la capacità di acquisire un campionamento preciso al momento del segnale in ingresso ed eseguire la conversione analogico-digitale in un unico ciclo di clock. Gli Adc Sar sono perfetti per il funzionamento “start-and-go” asincrono, poiché l'ingresso viene campionato in un momento temporale preciso e il risultato è immediatamente disponibili nello stesso ciclo di clock. La capacità di eseguire la conversione in modo rapido e preciso elimina la latenza di ciclo anche dopo lunghi periodi di inattività, il cosiddetto funzionamento “one shot”, rende gli Adc Sar ideali per le applicazioni dei sistemi di controllo. Altri tipi di Adc, quali i delta-sigma e gli Adc in pipeline, richiedono più cicli di clock per completare una singola conversione, complicando l'utilizzo di questi dispositivi in un sistema di controllo. Poiché molte applicazioni richiedono più cicli di controllo per il funzionamento simultaneo in un determinato sistema, l'ingombro e la dissipazione di potenza dell'Adc sono considerazioni altrettanto importanti. Per esempio, la densità dei canali è un punto chiave in fase di vendita per i moderni switch delle reti ottiche. Questi sistemi spesso integrano molti Adc Sar piccoli e a bassa potenza per monitorare e controllare il livello di potenza dell'uscita dei singoli canali ottici. In questo modo, sono necessari Adc Sar ad elevata risoluzione, alta velocità e bassa potenza con una precisione "one-shot" per consentire sistemi di controllo più veloci con tempi di risposta inferiori.
Prestazioni straordinarie
Linear Technology ha recentemente introdotto una nuova famiglia di Adc Sar ad alte prestazioni per rispondere a questa importante sfida. L'LTC2379-18 e l'LTC2380-16 sono i primi prodotti di una famiglia di Adc Sar compatibili a livello di pin e software che presentano un rapporto Snr di 101 dB a 18 bit e di 96 dB a 16 bit da 250 Ksps fino a 2 Msps. Queste prestazioni vengono raggiunte mantenendo al tempo stesso il funzionamento a bassa potenza, da 3,75 mW a 250 Ksps e fino a 19 mW a 2 Msps. Ogni dispositivo è disponibile in package MSOP-16 o DFN-16 di dimensioni ridotte. A beneficio dei progettisti di sistema responsabili della valutazione e della selezione dell'Adc, questo articolo descrive varie specifiche chiave delle prestazioni degli Adc importanti per il loro impiego nei sistemi di controllo allo scopo di ridurre l'incertezza associata alla scelta del migliore convertitore per i sistemi di controllo e altre applicazioni complesse.
Requisiti del sistema di controllo
I sistemi di controllo ad alta risoluzione, naturalmente, richiedono Adc ad alta risoluzione per digitalizzare il segnale di ingresso a livelli più raffinati. L'Adc deve eseguire la conversione e aggiungere al tempo stesso il minor livello di rumore possibile alla catena di segnali. È risaputo che il rumore dell'Adc può essere ridotto calcolando la media di conversioni multiple riducendo la velocità di conversione effettiva. Un Adc a basso rumore non solo offre precisione e risoluzione, ma consente anche il funzionamento a velocità superiori, migliorando così il tempo di risposta del sistema di controllo. Il progettista deve trovare un compromesso tra i requisiti di risoluzione, velocità, rumore e potenza per ottenere gli obiettivi globali del sistema.
• Rumore - I progettisti di sistema possono valutare le prestazioni del rumore di un Adc Sar mediante due specifiche distinte. Per i sistemi che digitalizzano i segnali con contenuto AC dinamico, il rapporto Snr (signal-to-noise-ratio) è una specifica significativa. Maggiore è il valore del rapporto Snr, maggiore è il range dinamico tra il segnale fondamentale e il rumore di fondo dell'Adc. Un Adc a basso rumore fornisce un margine di rumore superiore alla catena di elaborazione dei segnali, consentendo di ridurre i limiti di progettazione del sistema. Il rumore di fondo estremamente basso di questo Adc Sar ad alta velocità offre flessibilità e facilità di utilizzo senza precedenti nella progettazione dei sistemi di controllo industriali. Per i sistemi che essenzialmente regolano i segnali Dc statici, il rumore di transizione è una specifica significativa. Questo tipo di rumore è una misura diretta della diffusione del codice all'uscita dell'Adc quando il relativo ingresso viene mantenuto a un livello fisso. Minore è il rumore di transizione, maggiore è la stabilità dell'uscita dell'Adc, cosa che consente misure precise con un minore calcolo della media. Le caratteristiche del rumore di transizione dell'LTC2380-16, un Adc Sar a 16 bit e 2 Msps. A un rumore di transizione inferiore a 0,2 Lsb, non è necessario il calcolo della media per ridurre l'incertezza dell'uscita dell'Adc, rendendo possibile il funzionamento "one-shot" ad alte velocità.
• Velocità - A causa di molti fattori concorrenti che influenzano la progettazione a livello di transistore, il rumore, la velocità e il consumo di energia dell'Adc in genere si controbilanciano a vicenda. Gli Adc a velocità inferiore spesso sono in grado di mantenere il funzionamento a basso rumore rispetti ai modelli più veloci. Nel confronto delle velocità relative dei vari Adc Sar, è utile prendere in considerazione non solo la velocità di campionatura dichiarata, ma anche il tempo di conversione garantito. Ciò vale soprattutto per i dispositivi seriali che utilizzano un bus di interfaccia Spi (Serial Peripheral Interface) per trasferire il risultato della conversione a un processore digitale. Il throughput dichiarato di un Adc seriale può essere aumentato caricando l'utente con un'interfaccia digitale a maggiore velocità. Il ciclo completo consiste di un tempo di conversione e di un tempo di acquisizione. In genere il trasferimento dati seriale si verifica durante la finestra temporale di acquisizione. Per un determinato tempo di ciclo, un tempo di conversione inferiore consente una finestra di trasferimento dati seriale più grande, riducendo la velocità richiesta dell'interfaccia digitale. Naturalmente un tempo di conversione inferiore reduce anche il ritardo tra il momento del campionamento e il risultato digitale, una considerazione chiave per i sistemi di controllo. Così, si consiglia di prestare particolare attenzione alla specifica del tempo di conversione quando si confrontano le velocità relative dei diversi Adc seriali.
• Affidabilità - Oltre alle specifiche prestazionali, molti progettisti di sistemi di controllo industriali devono mantenere elevati standard di affidabilità per i propri prodotti e di conseguenza richiedono l'elevata affidabilità dei componenti chiave selezionati, incluso l'Adc. Per le applicazioni che puntano sulla qualità, è indispensabile scegliere Adc con limiti minimi e massimi garantiti per tutte le specifiche prestazionali chiave, quali NL, Dnl, Snr e Thd. Queste specifiche devono essere garantite per l'intero range di temperature di esercizio dell'applicazione. Gli utenti devono prestare particolare attenzione se questi parametri chiave sono garantiti solo alla temperatura ambiente o solo per un range ridotto. I componenti interni di un Adc Sar ad alta risoluzione possono presentare profondi cambiamenti rispetto alla temperatura se non vengono progettati secondo criteri di solidità. La scelta di un Adc senza limiti garantiti su un ampio range di temperature introduce nel progetto un rischio non necessario.
Soluzioni ad efficienza energetica
La riduzione della dissipazione di potenza è un obiettivo importante di molti progetti moderni, inclusi i sistemi di controllo. In aggiunta all'evidente merito di ridurre il consumo di energia, molti sistemi sono limitati da considerazioni termiche e dalla possibilità di eliminare il calore in eccesso in contenitori di dimensioni contenute. Questo è vero soprattutto per i sistemi che richiedono l'integrazione di decine o centinaia di canali in un'area fitta del Pcb. Così la dissipazione di potenza e la densità di integrazione sono due fattori prestazionali chiave nella scelta di un Adc Sar. Le catene di segnali degli Adc Sar ad alta risoluzione tradizionali spesso richiedono amplificatori pilota dell'Adc alimentati da alimentatori separati. Per un'oscillazione di segnale di 0-5 V, rail da +/-6 V non sono infrequenti. L'alimentazione negativa viene richiesta per mantenere buone prestazioni di distorsione dell'amplificatore del driver, anche nei cosiddetti amplificatori di uscite rail-to-rail, poiché i transistori di uscita devono mantenere una tensione minima per garantire elevati livelli di linearità. Questo rail di alimentazione negativa supplementare dissipa la potenza ed è poco pratico da generare e inserire nella scheda a circuiti stampati. Considerate queste limitazioni, i progetti che tengono conto della potenza in genere eliminano la necessità di un'alimentazione negativa dell'amplificatore del driver attenuando il segnale di ingresso e utilizzando solo una frazione del range di segnali di ingresso a piena scala. Un simile approccio reduce i requisiti di oscillazione dell'uscita sull'amplificatore del driver dell'Adc. Tuttavia, utilizzando solo una frazione dei codici e del range dei segnali di ingresso a disposizione, si riduce la risoluzione effettiva del sistema di controllo.
Compressione del guadagno digitale
Per superare queste limitazioni fondamentali, le famiglie LTC2379-18 e LTC2380-16 presentano una funzione Dgc (Digital gain compression) esclusiva che elimina l'alimentazione negativa dell'amplificatore dei driver mantenendo la piena risoluzione dell'Adc. Quando abilitato, l'Adc esegue la funzione di scaling digitale che mappa il codice a scala zero da 0 V a 0,1*Vref e il codice a piena scala da Vref a 0,9*Vref. Per una tipica tensione di riferimento di 5 V, il range di ingressi a piena scala è ora compreso tra 0,5 V e 4,5 V, cosa che consente spazio libero per alimentare l'amplificatore dei driver da una singola alimentazione a 6 V. La funzione Dgc consente all'Adc di generare ogni codice (ad es., 218 = 262.144 codici nel caso di un Adc a 18 bit), incluse scala zero e scala piena, riducendo al tempo stesso i requisiti di oscillazione dell'uscita sull'amplificatore dei driver dell'Adc. Una catena di segnali completa che digitalizza un segnale bipolare vero industriale di +/-10 V su un codice a 18 bit a 1,6 Msps utilizza una singola alimentazione a 6 V sfruttando la funzionalità Dgc dell'LTC2379-18. Questo circuito viene implementato nel sistema dimostrativo dell'LTC2379-18 e raggiunge un rapporto Snr di 99dB e un valore Thd superiore a 100 dB. L'eliminazione dell'alimentazione negativa dell'amplificatore del driver utilizzando al tempo stesso il range e la risoluzione completi dell'Adc fornisce una soluzione esclusiva per i moderni sistemi di controllo industriali.
