W przeszłości projektowanie systemu gromadzenia danych oznaczało znajdowanie odpowiednich kombinacji komponentów ze stosu tabel danych i rozwiązywanie problemów ze złożonym prototypem. Teraz projektanci mogą używać cyfrowych narzędzi do projektowania, aby przeciągać i upuszczać modele czujników, bloki kondycjonowania sygnału analogowego, przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) i filtry cyfrowe do wirtualnych łańcuchów sygnałowych, oszczędzając czas i redukując objazdy. To oprogramowanie może symulować wirtualny sygnał wyjściowy łańcucha, umożliwiając projektantom zrozumienie, w jaki sposób wybrane komponenty wpływają na wyniki, takie jak stosunek sygnału do szumu (SNR), błędy wzmocnienia i offsetu oraz moc.
Pakiet projektowania cyfrowego Precision Studio firmy Analog Devices, Inc., Inc., zawierający narzędzie Signal Chain Designer, nie jest przetłumaczony. Moduł ten może pomóc projektantom symulować systemy gromadzenia danych przed ich utworzeniem. W Signal Chain Designer użytkownicy mogą wybrać czujnik, ustawić parametry modelu, a następnie umieścić go w bloku obwodu reprezentującym elementy łańcucha sygnałowego (rysunek 1).
Projektant łańcucha sygnałowego w ADI Precision Studio
Rysunek 1: Korzystając z narzędzia Signal Chain Designer w ADI Precision Studio, projektanci mogą wybierać czujniki i przeciągać odpowiednie bloki obwodów do łańcucha sygnałowego w celu symulacji komponentów akwizycji danych. (Źródło obrazu: Analog Devices, Inc.)
Przed przekształceniem sygnałów czujników w wiarygodne dane należy je poddać wielopoziomowemu przetwarzaniu, przy czym każdy poziom składa się z jednego lub większej liczby elementów elektronicznych lub modułów układów scalonych, które służą jako sygnał wstępnego przetwarzania dla następnego poziomu. Najpopularniejszy etap przetwarzania może wzmacniać sygnały analogowe, filtrować sygnały analogowe, konwertować sygnały analogowe na sygnały cyfrowe i filtrować sygnały cyfrowe.
Stopień wzmocnienia sygnału analogowego
Sygnały analogowe generowane przez czujniki często nie odpowiadają optymalnemu wejściu systemu akwizycji danych. Stopień wzmocnienia sygnału analogowego wykorzystuje wzmacniacze operacyjne (wzmacniacze operacyjne), w pełni wzmacniacze różnicowe, napięcie odniesienia, a także elementy pasywne, takie jak rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne, do przekształcania sygnałów czujników do efektywnej postaci wymaganej przez system akwizycji danych.
W Signal Chain Designer użytkownicy mogą ustawić typy wejść i wyjść, wymagane wzmocnienie i przesunięcie poziomu wymagane do uzyskania prawidłowego napięcia wejściowego dla analogowych stopni wzmocnienia. Następnie oprogramowanie wykorzystuje produkty ADI do budowy obwodów spełniających zadane parametry i generuje schematy wyjściowe.
Na przykład dla czujnika o impedancji 1 kΩ, częstotliwości 1 kHz i pojemności 100 pF użytego na rysunku 1 użytkownik może ustawić wzmocnienie na 2 V/V i przesunięcie poziomu na 2,5 V (rysunek 2).
Użytkownicy mogą ustawić parametry, takie jak konfiguracja, wzmocnienie i przesunięcie poziomu
Rysunek 2: Ustawienia użytkownika dotyczące konfiguracji stopnia wzmocnienia sygnału analogowego, wzmocnienia, przesunięcia poziomu i innych parametrów w programie Signal Chain Designer. (Źródło obrazu: Analog Devices, Inc.)
Na podstawie tych parametrów oprogramowanie skonstruowało schemat obwodu stopnia wzmocnienia sygnału analogowego (rysunek 3 na górze), w którym znajduje się wzmacniacz operacyjny ADA4097-2. Wzmacniacz operacyjny serii ADA4097-2 wymaga jedynie prądu 32,5 µA na kanał, aby osiągnąć iloczyn szerokości pasma wzmocnienia (GBP) wynoszący 130 kHz, a szum międzyszczytowy (PP) pomiędzy 0,1 Hz a 10 Hz wynosi 1000 nV, przy typowej częstotliwości kątowej szumu 1/f wynoszącej 6 Hz.
W oprogramowaniu opracowano także obwód odniesienia dla stopnia wzmacniacza, który obejmuje precyzyjne napięcie odniesienia pasma wzbronionego LTC6655B-2.5 i wzmacniacz operacyjny AD8510 (rysunek 3 na dole), oba produkty firmy ADI.