No passado, projetar um sistema de coleta de dados significava encontrar combinações adequadas de componentes a partir de uma pilha de tabelas de dados e solucionar problemas do protótipo montado. Agora, os projetistas podem usar ferramentas de projeto digital para arrastar e soltar modelos de sensores, blocos de condicionamento de sinais analógicos, conversores analógico-digitais (ADCs) e filtros digitais em cadeias de sinais virtuais, economizando tempo e reduzindo desvios. Este software pode simular a saída da cadeia virtual, permitindo que os projetistas entendam como os componentes selecionados afetam os resultados, como relação sinal-ruído (SNR), erros de ganho e deslocamento e potência.
O conjunto de design digital Precision Studio da Analog Devices, Inc. (ADI), incluindo o Signal Chain Designer, não está traduzido. Este módulo pode ajudar os projetistas a simular sistemas de aquisição de dados antes de criá-los. No Signal Chain Designer, os usuários podem selecionar um sensor, definir parâmetros para o modelo e, em seguida, colocá-lo no bloco de circuito que representa os componentes da cadeia de sinal (Figura 1).
Designer de cadeia de sinal no ADI Precision Studio
Figura 1: Usando o Signal Chain Designer no ADI Precision Studio, os projetistas podem selecionar sensores e arrastar os blocos de circuito correspondentes para a cadeia de sinal para simulação de componentes de aquisição de dados. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)
Antes de converter os sinais dos sensores em dados confiáveis, eles precisam passar por um processamento multinível, com cada nível consistindo em um ou mais componentes eletrônicos ou módulos IC de circuito integrado, que servem como sinal de pré-processamento para o próximo nível. O estágio de processamento mais comum pode amplificar sinais analógicos, filtrar sinais analógicos, converter sinais analógicos em sinais digitais e filtrar sinais digitais.
Estágio de amplificação de sinal analógico
Os sinais analógicos gerados pelos sensores muitas vezes não correspondem à entrada ideal do sistema de aquisição de dados. O estágio de amplificação de sinal analógico usa amplificadores operacionais (amplificadores operacionais), amplificadores totalmente diferenciais, referências de tensão, bem como componentes passivos como resistores, capacitores e indutores para converter os sinais dos sensores na forma efetiva exigida pelo sistema de aquisição de dados.
No Signal Chain Designer, os usuários podem definir os tipos de entrada e saída, o ganho necessário e a mudança de nível necessária para obter a entrada de tensão correta para estágios de amplificação analógica. Em seguida, o software usa produtos ADI para construir circuitos que atendam aos parâmetros definidos e gera diagramas esquemáticos.
Por exemplo, para o sensor com impedância de 1 k Ω, frequência de 1 kHz e capacitância de 100 pF usado na Figura 1, o usuário pode definir o ganho para 2 V/V e o deslocamento de nível para 2,5 V (Figura 2).
Os usuários podem definir parâmetros como configuração, ganho e mudança de nível
Figura 2: Configurações do usuário para configuração do estágio de amplificação de sinal analógico, ganho, mudança de nível e outros parâmetros no Signal Chain Designer. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)
Com base nesses parâmetros, o software construiu um esquema de circuito do estágio de amplificação do sinal analógico (Figura 3, topo), que inclui um amplificador operacional ADA4097-2. O amplificador operacional da série ADA4097-2 requer apenas 32,5 µ A de corrente por canal para atingir um produto de largura de banda de ganho (GBP) de 130 kHz, e o ruído pico a pico (PP) entre 0,1 Hz e 10 Hz é 1000 nV, com uma frequência angular de ruído 1/f típica de 6 Hz.
O software também desenvolveu um circuito de referência para o estágio do amplificador, que inclui uma referência de tensão de bandgap de precisão LTC6655B-2.5 e um amplificador operacional AD8510 (Figura 3, parte inferior), ambos da ADI.