ADC de alta resolución vs amplificadores

Esto no es una respuesta, sino una anécdota.

Los ADC de bits altos son bastante ingeniosos. La gran resolución, junto con el alto rango dinámico, elimina muchos problemas 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 serían, con solo una mínima amplificación y filtrado anti-alias. Dicho esto, mis datos se basaban en lo que parecía ser una enorme "onda cuadrada" que no noté durante mi creación de prototipos. Me dejó bastante desconcertado por un tiempo.

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

Finalmente, tuve la caja donde esta cosa vivía abierta, y noté casualmente que cuando el programador en la placa de desarrollo del microcontrolador que estaba usando no estaba enumerado por USB, que un LED destellaba perfectamente a tiempo para mi misteriosa ola cuadrada . Eso estaba haciendo que algo se hundiera, en el rango de microvoltios, que era simplemente enorme en mi señal de 32 bits. No estuvo presente durante la creación de prototipos, ¡porque mi programador a bordo fue enumerado! ¡¡¡¡¡Esos bastardos!!!!! El problema se resolvió eliminando la resistencia limitadora de corriente en el LED.

¿Por qué esto fue frustrante? Bueno, por primera vez en mi vida, no amplifiqué lo suficiente como para 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 al seleccionar un ADC de 32 bits se creó una graciosa opacidad en mi cadena de señal que tuve que aprender de la manera más difícil. Esto fue muy parecido a mis primeras experiencias con los microcontroladores, donde no puedes simplemente mirar dentro y saber qué está pasando.

Los ADC de larga historia, cortos y largos, son una herramienta valiosa que hace que el diseño analógico sea una brisa. 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 decirle que estaba bajo una presión en tiempo real, trabajando bajo un contrato con una compañía de dispositivos médicos. Estuve bajo bastante estrés por 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.

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

  

¿Sería más adecuado para usar amplificadores para cada individuo?   ¿Canal en lugar de usar esta unidad de un ADC? es decir, usar termopar   amplificadores y amplificadores de puente cuando corresponda?

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

En cuanto a su pregunta del amplificador, nuevamente depende de cuáles sean los requisitos para el proyecto. Pero habrá un mejor control sobre la cantidad de ruido en su circuito si utiliza 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 el software.

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

1) su mano o cara o cuerpo emite calor, y las uniones de silicona CERRADAS a la fuente de calor serán más cálidas; dos diodos cercanos se separarían en 500 microvoltios y experimentará aproximadamente 60 segundos de tiempo de asentamiento a la nueva tensión de compensación; dado que 0,1 metros de cobre tiene 114 segundos de constante de tiempo térmica, podemos esperar que los flujos de calor sean un problema constante; Diseñé esos 2 diodos en el PCB de Eval, para examinar el calentamiento de mi cara; un diodo sombrea parcialmente el 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 dis-similares produce de 5 a 40 microVoltios por grado Centígrado, y los PCB tienen muchas de estas transiciones metálicas. El desajuste térmico de las rutas diferenciales (Vin +, Vin-) se convierte en tu desafío.

2) la absorción dieléctrica de los condensadores apareció; el filtrado de entrada mediante RC lowpass, para explorar el piso de ruido del ADC, mostró 2 o 3 minutos de asentamiento; cuando se cortocircuita brevemente y luego se abre, aparecerá casi un milivoltio de carga almacenada

3) la resistencia de 1 onza / pie ^ 2 lámina de cobre es 0.000500 ohmios por cuadrado, para cualquier tamaño de cuadrado; 1milliAmp a través de un cuadrado generará 500 NanoVolts de error; piense en usar el modelo Finite_element para diseñar su PCBS al nivel de 32 bits. [editar el NanoVolts fue primero microVolts]

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

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

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

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

Vinduce = 1e-10 * 754 = 75 nanoVolts

¿Por qué? porque la lámina delgada de cobre no protege contra los campos magnéticos de 60 Hz. 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 un nivel 0, todavía están zumbando con 200 o 500 miliVoltsPP de ruido de riel de MCU; ¿Qué tan cerca se puede permitir que una traza de interfaz digital llegue a las señales de 32 bits, dado que la basura de la 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

10picoFarad ................ 20 microVolts RMS

1000 picoFarad ............ 2 microVolts RMS

100,000 picoFarad ........ 200 nanoVolts RMS

10,000,000 picoFarad ..... 20 nanoVolts RMS

1Billion picoFarad ............. 2 nanoVolts RMS

utilizando la fórmula: VnoiseRMS = sqrt (K * T / C)

¿Qué es el uso de esta tabla? para alcanzar 2 niveles de ruido nanoVolt, la energía equivalente de la carga 1Billion picoFarad (0.001 Farad) debe proporcionarse desde la fuente de la señal o desde los buffers o desde los amplificadores.

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

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

Además, realmente dudo que puedas obtener tu ruido analógico a un nivel en el que 32 o 24 bits hagan alguna diferencia.