In passato, progettare un sistema di raccolta dati significava trovare combinazioni adeguate di componenti da una pila di tabelle di dati e risolvere i problemi del prototipo assemblato. Ora, i progettisti possono utilizzare strumenti di progettazione digitale per trascinare e rilasciare modelli di sensori, blocchi di condizionamento del segnale analogico, convertitori analogico-digitali (ADC) e filtri digitali in catene di segnale virtuali, risparmiando tempo e riducendo le deviazioni. Questo software può simulare l'output della catena virtuale, consentendo ai progettisti di comprendere in che modo i componenti selezionati influenzano i risultati, come il rapporto segnale-rumore (SNR), gli errori di guadagno e offset e la potenza.
La suite di progettazione digitale Precision Studio di Analog Devices, Inc. (ADI), incluso Signal Chain Designer, non è tradotta. Questo modulo può aiutare i progettisti a simulare i sistemi di acquisizione dati prima di crearli. In Signal Chain Designer, gli utenti possono selezionare un sensore, impostare i parametri per il modello e quindi inserirlo nel blocco circuitale che rappresenta i componenti della catena del segnale (Figura 1).
Progettista di catene di segnali in ADI Precision Studio
Figura 1: Utilizzando Signal Chain Designer in ADI Precision Studio, i progettisti possono selezionare i sensori e trascinare i blocchi circuitali corrispondenti nella catena del segnale per la simulazione dei componenti di acquisizione dati. (Fonte immagine: Analog Devices, Inc.)
Prima di convertire i segnali dei sensori in dati affidabili, devono essere sottoposti a un'elaborazione multilivello, dove ciascun livello è costituito da uno o più componenti elettronici o moduli IC a circuito integrato, che fungono da segnale di pre-elaborazione per il livello successivo. La fase di elaborazione più comune può amplificare segnali analogici, filtrare segnali analogici, convertire segnali analogici in segnali digitali e filtrare segnali digitali.
Stadio di amplificazione del segnale analogico
I segnali analogici generati dai sensori spesso non corrispondono all'ingresso ottimale del sistema di acquisizione dati. Lo stadio di amplificazione del segnale analogico utilizza amplificatori operazionali (amplificatori operazionali), amplificatori completamente differenziali, riferimenti di tensione, nonché componenti passivi come resistori, condensatori e induttori per convertire i segnali dei sensori nella forma effettiva richiesta dal sistema di acquisizione dati.
In Signal Chain Designer, gli utenti possono impostare i tipi di ingresso e uscita, il guadagno richiesto e lo spostamento di livello richiesto per ottenere il corretto ingresso di tensione per gli stadi di amplificazione analogici. Quindi, il software utilizza i prodotti ADI per costruire circuiti che soddisfano i parametri impostati e genera diagrammi schematici.
Ad esempio, per il sensore con impedenza di 1 k Ω, frequenza di 1 kHz e capacità di 100 pF utilizzato nella Figura 1, l'utente può impostare il guadagno su 2 V/V e l'offset del livello su 2,5 V (Figura 2).
Gli utenti possono impostare parametri quali configurazione, guadagno e spostamento di livello
Figura 2: Impostazioni utente per la configurazione dello stadio di amplificazione del segnale analogico, guadagno, spostamento di livello e altri parametri in Signal Chain Designer. (Fonte immagine: Analog Devices, Inc.)
Sulla base di questi parametri, il software ha costruito uno schema circuitale dello stadio di amplificazione del segnale analogico (Figura 3 in alto), che include un amplificatore operazionale ADA4097-2. L'amplificatore operazionale della serie ADA4097-2 richiede solo 32,5 µ A di corrente per canale per ottenere un prodotto di larghezza di banda del guadagno (GBP) di 130 kHz e il rumore picco-picco (PP) tra 0,1 Hz e 10 Hz è 1.000 nV, con una frequenza angolare del rumore 1/f tipica di 6 Hz.
Il software ha inoltre sviluppato un circuito di riferimento per lo stadio dell'amplificatore, che include un riferimento di tensione con bandgap di precisione LTC6655B-2.5 e un amplificatore operazionale AD8510 (Figura 3, in basso), entrambi di ADI.