Arquitectura FlexDMM

Contenido

Visión General

National Instruments introdujo el innovador FlexDMM PXI-4070 de 6½ dígitos en el 2002. Este producto proporciona a los ingenieros una solución para los inherentes retos de los instrumentos de precisión tradicionales – rendimiento y flexibilidad de medidas limitados. El FlexDMM ayudó a enfrentar estos retos al proporcionar rendimiento en medidas compitiendo contra multímetros digitales (DMMs) de mayor resolución que cuestan miles de dólares más. NI ha continuado innovando la arquitectura del FlexDMM desde su lanzamiento al:

  • Doblar el rendimiento de su modo de medida más veloz
  • Agregar un modo digitalizador de 1.8 MS/s y alto voltaje
  • Lanzar una versión PCI del PXI-4070
  • Lanzar el FlexDMM PXI-4072 de 6½ dígitos y para medidas LCR


La última innovación es el FlexDMM NI PXI-4071 de 7½ dígitos. El nuevo FlexDMM PXI-4071 ofrece 26 bits de precisión y resolución, es decir 10 veces más resolución y hasta 60 por ciento más precisión que los dispositivos FlexDMM previos. El PXI-4071 también ofrece rangos de medida extremadamente amplios, como se muestra en Tabla 1, para que usted pueda medir voltaje DC desde ±10 nV a 1000 V, corriente desde ±1 pA a 3 A y resistencia desde 10 µΩ a 5 GΩ, así como realizar medidas de frecuencia/periodos y diodos. El FlexDMM presenta un modo de digitalizador aislado, en el cual se pueden adquirir formas de onda acopladas en DC a velocidades de muestreo de hasta 1.8 MS/s en todos los modos de voltaje y corriente. Este documento proporciona una comparación detallada de los convertidores analógico a digital (ADCs) y las arquitecturas del FlexDMM y del DMM tradicional.

NI PXI-4071
NI 4070/4072
Resolución Máxima
7½ dígitos (26 bits)
7 dígitos (23 bits)
Rangos de Voltaje
DC Máxima
1000 V
300 V
Sensibilidad DC
10 nV
100 nV
Máxima AC rms (pico)
700 Vrms (1000 V)
300 Vrms (425 V)
Voltaje de modo común
500 V
300 V
Rangos de Corriente
DC Máxima
3 A
1 A
Sensibilidad DC
1 pA
10 nA
Máxima AC rms (pico)
3 A (4.2 A)
1 A (2 A)
Sensibilidad AC rms
100 pA
10 nA
Rangos de Resistencia
Máximo
5 GΩ
100 MΩ
Sensibilidad
10 µΩ
100 µΩ
Rangos de LCR1
Capacitancia
N/A
0.05 pF a 10,000 µF
Inductancia
N/A
1 mH a 5 H
Precio
$2,495 USD
$1,995/$2,495 USD

Tabla 1. Comparación de Entrada del FlexDMM

1 sólo PXI-4072

Limitantes del DMM Tradicional


Los DMMs tradicionales generalmente se enfocan en la resolución y precisión, y no ofrecen habilidades de adquisición a velocidades altas. Hay algunas limitantes inherentes en el rendimiento de ruido contra velocidad, claro, lo cual está en función de la física básica. El ruido térmico de un resistor es un ejemplo de una limitante teórica, y la tecnología de dispositivos de semiconductores determina algunas limitantes prácticas. Pero existen otras opciones que pueden ayudar a lograr el mayor rendimiento de medidas posible.

Algunos DMMs especializados de alta resolución entregan tanto resolución como velocidades un cuanto altas, pero son muy costosos – alrededor de $8,000 USD – y están disponibles solamente en configuraciones de rack completo, ocupando mucho espacio en laboratorios o en sistemas.

Otra limitante de los DMMs es la velocidad, la cual está definida por la plataforma de hardware tradicional – el bus de interfaz GPIB (IEEE 488). Esta interfaz, usada desde los 1970s, a menudo se considera el estándar a pesar de tener limitantes en velocidad, flexibilidad y costo. La mayoría de los DMMs comerciales tradicionales utilizan esta interfaz, aunque haya estándares de interfaz alternativos, tales como USB y Ethernet, ya disponibles como opciones para DMMs tradicionales. Todas estas interfaces se comunican con el DMM enviando mensajes al instrumento y esperando una respuesta, lo cual es naturalmente más lento que el acceso basado en registros, utilizado en los instrumentos modulares PXI.

Aún en los intentos de alejarse de la interfaz GPIB, la limitante básica de los DMMs, tanto en velocidad como en precisión, continúa siendo los ADCs que se utilizan en estos productos. Para entender mejor las tecnologías utilizadas, usted necesita examinar detalladamente lo que éstas ofrecen en cuanto a rendimiento.

Tecnología ADC de Doble Rampa
Desde una perspectiva histórica, una de las formas de conversión A/D precisa más antiguas pero más comunes es el ADC de Doble Rampa. Esta técnica ha sido utilizada extensivamente desde los 1950s. Es prácticamente un proceso de dos pasos. Primero, un voltaje de entrada (representando la señal que se mide) se convierte en una corriente, y es aplicada a la entrada de un integrador a través de un conmutador S1. Cuando se conecta el voltaje de entrada al integrador (al principio del ciclo de integración o apertura), el integrador se incrementa en una rampa de subida hasta que llega al fin del ciclo de integración o apertura, punto en el cual la entrada se desconecta del integrador. Después, una corriente de referencia precisa se conecta al integrador a través de un conmutador S2 y el integrador desciende en una rampa de bajada hasta que cruza por cero. Durante este tiempo, un contador de alta resolución mide el tiempo que toma al integrador en descender hasta el punto donde comenzó. El tiempo medido, en relación al tiempo de integración y referencia, es proporcional a la amplitud de la señal de entrada. Vea la Figura 1.







Figura 1. Diagrama de Bloques del Convertidor de Doble Rampa


Esta técnica es utilizada en muchos DMMs de alta resolución, aún hoy en día. Tiene las ventajas de ser simple y precisa. Con tiempos de integración largos, usted puede incrementar la resolución a límites teóricos. Sin embargo, las siguientes limitantes de diseño son las que afectan finalmente el desempeño de un producto:

  • La absorción dieléctrica del capacitor integrador debe ser compensada, aún con capacitores integradores de alta calidad, los cuales pueden requerir procesos de calibración complicados.
  • La señal debe ser encendida y apagada por compuertas, y también la referencia. Este proceso puede introducir cargas a la señal de entrada. La introducción de cargas puede causar errores dependientes de la entrada (falta de linealidad), los cuales son difíciles de compensar en resoluciones muy altas (6½ dígitos o más).
  • El tiempo de decremento degrada significativamente la velocidad de la medida. Entre más rápido sea el decremento, es mayor el número de errores introducidos por demoras del comparador, introducción de cargas, etc.


Algunas topologías utilizan una etapa de transconductancia antes del integrador para convertir el voltaje en una corriente, y después utilizan redes de "dirección de corriente" para minimizar la inducción de cargas. Desafortunadamente, esta etapa adicional introduce complejidad y la posibilidad de errores.

A pesar de estas limitantes de diseño, los convertidores de doble rampa han sido utilizados en una gran cantidad de DMMs, desde aquellos que son las herramientas de servicio más comunes de laboratorio o de campo hasta los de alta precisión, alto grado de metrología, y alta resolución. Como la mayoría de técnicas A/D de integración, estos convertidores tienen la ventaja de proporcionar un rechazo de ruido muy eficiente. Ajustar el periodo de integración a un múltiplo de 1/PLC (frecuencia de línea de potencia) causa que el A/D rechace ruido de frecuencia de línea – un resultado deseable.

Tecnología ADC de Balance de Carga con Rampa de Bajada
Muchos fabricantes enfrentan los problemas de velocidad y absorción dieléctrica inherentes en los convertidores de doble rampa utilizando la técnica A/D de balance de carga con rampa de bajada. Esta técnica es básicamente similar a la doble rampa pero con la diferencia de que la señal de referencia es aplicada en incrementos medidos durante el ciclo de integración. Esto a veces es referido como "modulación." Cada incremento, en la rampa de subida, representa un número fijo de cuentas finales. Vea la Figura 2.






Figura 2. Diagrama de Bloques del Convertidor de Balance de Carga


Durante esta fase de integración, representada en la Figura 2 por tapertura, S1 es encendido y Vx es aplicado a través de R1, la cual comienza la rampa de integración. Una corriente opuesta es aplicada en intervalos regulares por medio de conmutadores, S2 y S3. Esto "balancea" la carga en C1. Se generan cuentas de medidas cada vez que S5 es conectado a VR. De hecho, para medidas de más alta resolución (tiempos de integración más largos), la mayoría de las cuentas se generan durante esta fase taperture. Al final de la fase de balance de cargas, una corriente de referencia de precisión es aplicada al integrador, como se hace en el caso del convertidor de doble rampa. El integrador entonces comienza una rampa de bajada hasta que cruza por cero. La medida es calculada por las cuentas que se acumularon durante la integración, y agregada a las cuentas ponderadas acumuladas durante la rampa de bajada. Los fabricantes utilizan dos o más referencias de rampa de bajada. Esto resulta en rampas de bajada más rápidas para optimizar la velocidad, y al final rampas más lentas para optimizar la precisión.

Usted puede mejorar bastante los problemas de absorción del capacitor dieléctrico de su integrador utilizando A/D de carga de balances con rampa de bajada, pero los beneficios en rendimiento son similares a los del convertidor de rampa de bajada. (De hecho, algunos convertidores de rampa de bajada utilizan múltiples pendientes de rampa de bajada.) La velocidad se mejora de manera significativa debido a que el número de cuentas generadas durante la fase de balance de carga reduce la importancia de cualquier error de rampa de bajada, por lo que la rampa de bajada se puede realizar mucho más rápido. Sin embargo, aún habrá muchos tiempos muertos si usted realiza varias medidas o si usted digitaliza una señal, debido a la carga y descarga del integrador.

Este tipo de ADC, en uso comercial desde los 19070s, ha evolucionado de manera significativa. Las versiones anteriores utilizaban un modulador similar a aquellos de los convertidores de voltaje a frecuencia. Tenían problemas de linealidad causados por elementos parásitos dependientes de la frecuencia y por lo tanto estaban limitados en cuanto a velocidad de conversión. A mitad de los 1980s la técnica fue mejorada al incorporar un modulador de "frecuencia constante," el cual aún se utiliza extensivamente hoy en día. Esto mejoró drásticamente tanto el rendimiento final como la manufactura de estos convertidores.

Tecnología de Convertidor Sigma-Delta
Los convertidores sigma-delta, o ADCs modeladores de ruido, tienen raíces históricas en las telecomunicaciones. Hoy en día, esta técnica se utiliza bastante como la base de bloques de construcción de A/D comerciales producidos por varios fabricantes. Ha ocurrido una gran evolución en esta área durante la última década (impulsada por una necesidad incremental de conversión dinámica de rangos en audio y en telecomunicaciones), e investigaciones al respecto aún se llevan a cabo. Algunos DMMs modulares (PXI, PCI, and VXI) hoy en día utilizan ADCs sigma-delta en el núcleo de su mecanismo de adquisición. También se utilizan comúnmente para digitalizar señales para:

  • Análisis Dinámico de Señal (DSA)
  • Dispositivos de audio y voz comerciales y de consumidor
  • Parámetros físicos como vibración, tensión y temperatura, en donde la digitalización de ancho de banda moderado es suficiente.


Un diagrama básico de un convertidor sigma-delta se muestra en la Figura 3.



Figura 3. Diagrama de Bloques del Convertidor Sigma-Delta


Los bloques básicos de construcción de un convertidor sigma-delta son el integrador o integradores, ADC y DAC (convertidor digital a analógico) de un solo bit, y filtro digital. El modelado de ruido se realiza al combinar las etapas del integrador y el diseño del filtro digital. Hay varias técnicas para implementar estos bloques. Existen diferentes filosofías en cuanto al número óptimo de etapas integradoras, de etapas de filtros digitales, de bits en los convertidores A/D y D/A, etc. Sin embargo, los bloques básicos operacionales de construcción permanecen prácticamente igual. Un modulador que consiste en un lazo de retroalimentación de balance de carga de un solo bit es similar al descrito anteriormente. El ADC de un solo bit, por su precisión y su cualidad monótona, determina una buena linealidad.

Existen muchas ventajas al utilizar convertidores sigma-delta comerciales:

  • Son bastante lineales y ofrecen buena no-linealidad diferencial (DNL).
  • Se puede controlar su ruido de señal de manera efectiva
  • Por su naturaleza se pueden auto muestrear y rastrear (sin requerir circuitos de muestreo y retención)
  • Generalmente tienen un precio bajo


Sin embargo, hay algunas limitantes al utilizar ADCs sigma-delta comerciales en DMMs de alta resolución:

  • Limitantes en velocidad, especialmente en aplicaciones de escaneo, debido a las demoras de paso a través del filtro digital.
  • Aunque generalmente son de bajo ruido y lineales, las especificaciones de fabricantes limitan la precisión a 5½ dígitos (19 bits)
  • Los "tonos" de modulación pueden producir alias en el filtro pasa banda y causar problemas en altas resoluciones
  • Control limitado de compensación de velocidad-ruido, tiempo de adquisición, etc.

Tecnología FlexDMM de National Instruments

El FlexADC es la base de la familia NI FlexDMM (PXI-4072, PXI-4071, PXI-4070 y PCI-4070). El FlexADC proporciona el ruido, la linealidad, la velocidad y la flexibilidad requeridos para lograr medidas de alta velocidad y alta precisión. El FlexADC, mostrado en la Figura 4, está basado en una combinación de tecnología ADC comercial de alta velocidad y un convertidor sigma-delta diseñado de manera personalizada. Esta combinación optimiza la linealidad y el ruido para una precisión de hasta 7½ dígitos y estabilidad, y también ofrece velocidades de muestreo digitalizadoras de hasta 1.8 MS/s.


Figura 4. Convertidor FlexADC


El diagrama de bloques en la Figura 4 muestra un modelo simplificado de cómo funciona el FlexADC. A bajas velocidades, el circuito aprovecha las ventajas de un convertidor sigma-delta. El DAC de retroalimentación está diseñado para ruido extremadamente bajo y linealidad excepcional. El filtro pasa bajo proporciona el modelado de ruido necesario para un rendimiento efectivo en todas las resoluciones. No se necesita rampa de bajada porque el modulador ultra preciso de 1.8 MS/s proporciona una conversión de muy alta resolución sin ésta. A velocidades altas, el modulador de 1.8 MS/s combina el ADC de rápido muestro para proporcionar digitalización de muestreo continuo. El procesador digital de señales (DSP) proporciona generación de secuencias en tiempo real, calibración, alineamiento, cálculo de AC rms verdadero, reducción de número de muestras, así como filtrado de ruido por ponderación utilizado para las funciones de DC.

El FlexADC tiene varias ventajas:

  • La arquitectura única del FlexDMM ofrece una lectura continuamente variable, de 7 S/s a 7½ dígitos hasta 10 kS/s a 4½ dígitos, como se muestra en la Figura 5.
  • Usted puede utilizar el FlexADC como un digitalizador con velocidad de muestreo de hasta 1.8 MS/s.
  • Gracias al modulador sigma-delta personalizado, el modelado de ruido y el filtrado digital han sido optimizados para usarse en DMMs y aplicaciones de digitalización.
  • A diferencia de otras técnicas de conversión ADC, no es necesario encender y apagar la señal de entrada. Por lo tanto, usted puede obtener una adquisición de señales continua y contigua.
  • Usted puede lograr conversión ACV directa y calibración de respuesta en frecuencia, sin tener que utilizar un convertidor analógico AC Trms (valor rms verdadero) convencional, y tampoco ajustes analógicos para corrección de respuesta plana en frecuencia.
  • Usted puede reducir drásticamente el ruido de la señal de entrada en todas las funciones con los algoritmos de modelado de ruido apropiados (vea Rechazo de Ruido DC).
  • Usted puede implementar funciones avanzadas basadas en la PC principal con el software NI LabVIEW una vez que digitalice las señales, resultando en una lista casi infinita de opciones de caracterización de señales (transformada rápida de Fourier, cálculo de impedancias, factor de cresta AC, AC pico, AC promedio, etc.).

Figura 5. Tasas de Lecturas DC del FlexDMM


La Tabla 2 compara las cuatro arquitecturas ADCs.


Tabla 2. Comparación de Arquitecturas ADC

Arquitectura Frontal de Bajo Ruido y Alta Estabilidad

Todos los FlexDMMs presentan algunas de las referencias integradas más estables disponibles. Como voltaje de referencia, el FlexDMM utiliza una referencia estabilizada seleccionada y conocida que proporciona rendimiento incomparable. Este voltaje de referencia está térmicamente blindado para un rendimiento óptimo. El resultado es un coeficiente de temperatura de referencia máximo, menor a 0.3 ppm/ºC. El tiempo de estabilidad de este dispositivo está en el orden de 8 ppm/año. Ningún otro DMM en este rango de precio ofrece esta fuente de referencia con esta estabilidad. Es por eso que el FlexDMM ofrece una precisión garantizada por dos años.

Las funciones de resistencia están referenciadas a un solo resistor de 10 kΩ de hojas de metal, altamente estabilizado y diseñado originalmente para aplicaciones aeroespaciales demandantes. Este componente tiene un coeficiente de temperatura garantizado menor a 0.8 ppm/ºC y un tiempo de estabilidad menor a 25 ppm/año.

Acondicionamiento de Señal para Entrada de Estado Sólido
Una fuente principal de errores de medida en la mayoría de DMMs tradicionales es la conmutación de relés electromecánicos. Los desfases de voltaje térmico inducidos por contacto pueden causar inestabilidad y variaciones. Los dispositivos FlexDMM eliminan todos les relés excepto uno en la trayectoria de DCV, ACV y resistencia. Una configuración especial de contacto de relé cancela los errores térmicos en este relé. Este relé es conmutado sólo durante la auto calibración. Toda la conmutación relacionada con medidas para cambio de funciones y rangos se realiza con conmutación de estado sólido altamente fiable y de baja temperatura. Por lo tanto, los errores por desgaste del relé electromecánico son eliminados. La Figura 6 muestra la de variación durante una noche completa en el rango más sensible, el rango de 100 mV. Cada división es de 500 nV. Para comparar, la misma medida se hizo bajo condiciones idénticas con un DMM tradicional de 6½ dígitos y un DMM de rack completo de 8½ dígitos, y se muestra en la Figura 6.



Figura 6. La Curva Muestra la Estabilidad del FlexDMM (parte inferior) en el Rango de 100 mV con Entrada en Corto, en Comparación a un DMM Tradicional (parte superior) – 500 nV/División


Linealidad
La linealidad es una medida de "calidad" de una función de transferencia de un DMM. En aplicaciones de caracterización de conversión-componente es importante ofrecer rendimiento de DNL e INL (no-linealidad diferencial e integral, respectivamente) significativamente mejor que el que ofrecen los ADCs comerciales. El FlexADC está diseñado para una linealidad excelente, tanto en DNL como INL. La linealidad también es importante porque determina la repetitividad de la función de auto calibración. La Figura 7 muestra una gráfica de la linealidad de un FlexDMM medida en el rango de 10 V de -10 a +10 V.


Figura 7. Linealidad en el Rango de 10 VDC

Auto Calibración

Los DMMs tradicionales de 6½ y 7½ dígitos se calibran a temperaturas particulares, y esta calibración está caracterizada y especificada para un rango de temperatura limitado, generalmente ±5 ºC (o hasta ±1 ºC en algunos casos). Por lo tanto, cuando un DMM se utiliza fuera de este rango de temperatura, las especificaciones de precisión deben ser depreciadas por un coeficiente de temperatura, generalmente en el orden de 10 por ciento de la especificación de precisión/ºC. Entonces a 10 ºC fuera de este rango especificado, usted podría tener el doble del error de medida especificado, lo cual puede ser algo preocupante cuando la precisión absoluta es importante.

Si las variaciones en temperatura exceden estos límites y se requieren especificaciones estrictas, entonces también se necesita volver a calibrar en la nueva temperatura. Por ejemplo, considere el rango de 10 VDC en DMMs tradicionales de 7½ dígitos. Un DMM puede tener una precisión como la siguiente:

Precisión de un año: (24 ppm de lectura + 4 ppm de rango) para T = 23±5 ºC

Con esta especificación, si usted aplica 5 V a la entrada, el error es:

24 ppm de 5 V + 4 ppm de 10 V = 160 µV, para el rango de temperatura de 18 a 28 ºC

Este es el método tradicional para especificar la precisión. Si la temperatura ambiental está fuera del rango de 18 a 28 ºC, usted necesitaría depreciar la precisión utilizando el coeficiente de temperatura (tempco). Con el método tradicional, la única manera de obtener la precisión especificada fuera del rango de 18 a 28 ºC es volviendo a calibrar por completo el sistema en la temperatura deseada. Por supuesto, esto generalmente es impráctico y costoso. En el ejemplo anterior, si la temperatura ambiental del DMM es de 50 ºC, tal vez a causa de apilar muchos instrumentos en el rack con flujo de aire limitado, y el tempco es especificado como:

tempco= (2 ppm de lectura + 1 ppm de rango)/ºC, entonces el error adicional es:

22 ºC x tempco = (44 ppm de lectura + 22 ppm de rango) o 600 µV de incertidumbre total. Este error a una temperatura ambiental de 50 ºC es casi cuatro veces peor que la precisión especificada para un año.

Asegurando la Precisión de Nivel PPM
Para eliminar los errores causados por estos efectos, todos los dispositivos FlexDMM incorporan una función patentada de auto calibración para volts de corriente directa (VDC), resistencia, diodos y modo digitalizador. Esta función es importante por las siguientes razones:

1. La función de auto calibración hace correcciones de los errores de ganancia de trayecto de la señal y de desfase dentro del DMM, utilizando la referencia de voltaje interna de precisión y alta estabilidad previamente descrita.

2. La auto calibración se encarga de todos los errores de fuente de corriente, ganancia y desfase en modo de resistencia. En modo de resistencia, todos los errores son corregidos utilizando el resistor de precisión interno de 10 kW.

3. La auto calibración toma un minuto y calibra nuevamente todos los rangos de voltaje, resistencia y funciones digitalizadoras. En los DMMs tradicionales, se requieren más de 10 minutos para realizar esta función.

El resultado es un DMM de alta precisión y ultra estable a cualquier temperatura, aún fuera de los tradicionales 18 a 28 ºC, con el uso de la auto calibración. Para el ejemplo anterior, el error adicional introducido por el coeficiente de temperatura al utilizar auto calibración estaría completamente cubierto en las especificaciones de 90 días y dos años, y sería:

tempco con auto calibración: < (0.3 ppm de lectura + 0.01 ppm de rango)/ºC

Esto representa una mejora enorme en precisión sobre el rango de temperatura funcional del FlexDMM. La Tabla 3 resume estos resultados.

Condición
DMM Tradicional de 7½ Dígitos (1 Año)
DMM PXI-4071 de 7½ Dígitos
(2 Años)
Medidas en el rango de 18 a 28 ºC
160 µV
65 µV
Medidas a 50 ºC sin Auto Calibración
600 µV
111 µV
Medidas a
50 ºC
con Auto Calibración
600 µV (auto calibración no disponible)
80 µV

Tabla 3. Resumen del Ejemplo – Análisis de Incertidumbre, Midiendo 5 V en el Rango de 10 V



Note que utilizando el FlexDMM con auto calibración proporciona precisión a 50 ºC, lo cual es más de siete veces mejor que los métodos tradicionales. La Tabla 4 compara la auto calibración contra el método tradicional de calibración "de fábrica."



Opción de Calibración
Aplicación
Cuándo
Beneficio de Rendimiento
Calibración "de Fábrica"
Calibrar de nuevo la variación de tiempo
de referencias integradas
Corregir la variación de respuesta plana
en frecuencia de todas las funciones
Cada 2 años
Cumplir con todas las especificaciones
Auto Calibración
Precisión de 7½ dígitos –
calibra nuevamente el trayecto de medición y ADC para VDC, resistencia, diodo y digitalizador
90 días o para cambios de temperatura >1 ºC
Cumplir con especificaciones de VDC, resistencia, diodo y funciones de digitalizador en todos los rangos funcionales de temperatura

Tabla 4. Comparación de Calibraciones

 

Arquitectura de Medidas de Voltaje


No se sacrificó ningún aspecto al ofrecer alta estabilidad, y función de voltaje DC y AC de nivel de metrología. Varios factores contribuyen para que el FlexDMM logre este rendimiento:

  • Ha mejorado drásticamente en los últimos 10 años la disponibilidad y calidad de los componentes miniatura de montaje superficial, alto rendimiento y precisión.
  • El empaquetado electrónico pequeño y estrecho ayuda a mejorar el rendimiento, especialmente el flujo térmico entre componentes de precisión
  • El uso del FlexADC y DSP para cálculos ACV y calibración de respuesta en frecuencia simplifica el acondicionamiento de señales de entrada en un mismo trayecto, al reducir componentes, complejidad y conmutación
  • La falta de un conmutador frontal (común en los DMMs de caja) simplifica el diseño de entrada, reduce la resistencia de trayecto crítica del circuito y mejora la integridad de la señal
  • La fuente de alimentación, un componente común en un sistema de chasis PXI, no ocupa espacio en el módulo de medidas


Arquitectura de Alto Voltaje
Con el NI PXI-4071, usted puede medir 1000 VDC y 700 VAC Trms a niveles CAT I. Para medir con precisión 1000 V en un módulo PXI ultra pequeño, debe considerar limitantes en los circuitos frontales por ruptura de componentes, espaciado entre voltajes, diseños atenuantes y disipación de potencia.

Atenuador Único de Entrada de 10 MΩ
Tradicionalmente, los DMMs utilizan atenuadores de 1 MΩ y 10 MΩ en sus circuitos frontales de acondicionamiento de señal. Un atenuador de 1 MΩ, cuando es utilizado para proporcionar acondicionamiento a una señal de 700 VAC, disipa más de 0.5 W. Esto es un requisito difícil para un componente de precisión miniatura. Controlar errores inducidos por coeficientes de temperatura es un reto aún para un componente físicamente grande. Por lo tanto, es necesario eliminar el atenuador de 1 MΩ. Otra razón por la que los atenuadores de 1 MΩ se utilizan en los DMMs tradicionales es por el amplio ancho de banda AC. Los diseños tradicionales con atenuadores de 10 MΩ no pueden obtener el mismo nivel de ancho de banda AC que los diseños con atenuadores de 1 MΩ.

El FlexDMM PXI-4071 incorpora un diseño innovador de bootstrap escalado para eliminar la capacitancia del atenuador que generalmente impide rendimiento de amplio ancho de banda. Este bootstrap, como se muestra en la Figura 8, es diseñado y colocado para minimizar la capacitancia parásita que carga el atenuador de 100 kΩ de la red atenuadora de entrada RN. Con la adición del bootstrap escalado, formado por R1-R4, C1 y U1, se asegura una respuesta de escalón. Aún más importante, la respuesta característica lograda es muy similar a la de un circuito RC de un solo polo, el cual es importante para el digitalizador y respuesta de escalón DC.



Figura 8. PXI-4071 Bootstrap Escalado

 

Además, el PXI-4071 utiliza la corrección digital de respuesta plana en frecuencia DSP AC para compensar la respuesta plana en frecuencia del atenuador residual sin el uso de capacitores de compensación. Estas dos técnicas de compensación proporcionan una mejora superior a lo que pudiera ser posible, en el caso de que fuera requisito que el atenuador único pudiera pasar señales ACrms, DC de precisión, y digitalizadoras.

Ruptura de Componentes y Espaciado de Voltaje
Uno de los enemigos más intimidantes de las medidas de alto voltaje es la ruptura de conmutadores (relés) de selección de rangos. Tradicionalmente, los DMMs utilizan relés de alto voltaje. No es fácil lograr conmutación de relés de alto voltaje y alta fiabilidad juntas en un mismo paquete, mucho menos en uno miniatura.

Para lograr estos requerimientos, el PXI-4071 implementa un dispositivo innovador de estado sólido para selección de rangos, capaz de soportar más de 1000 V estando apagado. Este dispositivo no tiene ninguno de los problemas tradicionales de fiabilidad de los relés mecánicos debido a que no tiene contactos que se puedan dañar por conmutación de alto voltaje, y tampoco tiene limitantes de vida del dispositivo por contactos. El segundo beneficio de acondicionamiento de señales de entrada de estado sólido es el excelente rendimiento térmico DC de bajo nivel. Esta es una combinación que nunca antes había estado disponible en DMMs de 1000 V por menos de $5,000 USD.

Al utilizar conmutación de alto voltaje de estado sólido, eliminar la necesidad de un divisor de 1 MW y utilizar DSP para eliminar componentes de calibración, usted puede cubrir requisitos de espaciado de voltaje con un incremento en disponibilidad de superficie de tarjeta y área total. Ahora usted puede ajustar el diseño para cumplir con los requisitos CAT I de instrumentación PXI de 1000 V.

Rechazo de Ruido DC
El rechazo de ruido DC es una característica exclusiva de NI disponible para medidas DC en todos los dispositivos FlexDMM. Cada lectura DC proporcionada por el FlexDMM es en realidad el resultado matemático de múltiples muestras de alta velocidad. Al ajustar la ponderación relativa de estas muestras, usted puede ajustar la sensibilidad a diferentes frecuencias de interferencia. Tres diferentes ponderaciones están disponibles – normal, de segundo orden y de alto orden.

Normal
Cuando usted selecciona rechazo de ruido DC normal, todas las muestras se ponderan equivalentemente. Este proceso emula el comportamiento de la mayoría de los DMMs tradicionales, proporcionando buen rechazo de frecuencias en múltiplos de f0 donde f0 = 1/tapertura , el tiempo de apertura seleccionado para la medida. La Figura 9 muestra una ponderación normal y el rechazo de ruido resultante como una función de frecuencia. Note que sólo se obtiene un buen rechazo de ruido muy cerca de los múltiplos de f0.



Figura 9. Rechazo de Ruido DC Normal


Segundo Orden
El rechazo de ruido DC de segundo orden aplica una ponderación triangular a las muestras de medida, como se muestra en la Figura 10. Note que se obtiene muy buen rechazo de ruido cerca los múltiplos pares de f0, y que el rechazo incrementa más rápido con la frecuencia que con ponderación de muestras normal. También note que las concavidades de respuesta son más amplias que con la ponderación normal, resultando en menor sensibilidad a variaciones ligeras en frecuencia de ruido. Si usted necesitara un rechazo de ruido de línea de potencia mejor que el que podría obtener con rechazo de ruido DC normal, pero no pudiera realizar muestras más lentas para aprovechar las ventajas del rechazo de ruido de alto orden, entonces le sería útil el rechazo de ruido DC de segundo orden. Por ejemplo, usted puede configurar la apertura a 33.333 ms para una frecuencia de línea de potencia de 60 Hz.


Figura 10. Rechazo de Ruido DC de Segundo Orden


Alto Orden
La Figura 11 muestra ponderación de muestras de alto orden y su rechazo de ruido resultante como función de frecuencia. Note que el rechazo de ruido es bueno empezando alrededor de 4f0 y es excelente arriba de 4.5f0. Al utilizar rechazo de ruido DC de alto orden, usted puede lograr casi no tener sensibilidad al ruido a cualquier frecuencia arriba de 4.6f0. Como ejemplo, consideremos un FlexDMM que utiliza rechazo de ruido DC de alto orden con una apertura de 100 ms (10 lecturas/s). Éste puede proporcionar alta precisión de 6½ dígitos aún con más de 1 V de ruido de interferencia en la línea de potencia, en el rango de 10 V, a cualquier frecuencia sobre los 46 Hz. Esto es el equivalente a >110 dB en modo de rechazo normal, y es insensible a variaciones en la frecuencia de la línea de potencia.


Figura 11. Rechazo de Ruido DC de Alto Orden


La Tabla 5 resume las diferencias entre las tres configuraciones de rechazo de ruido DC.



Configuración de Rechazo de Ruido DC Frecuencia más Baja para Rechazo de Ruido Rechazo de Ruido en Alta Frecuencia
Normal 1/tapertura Bueno
Segundo Orden 2/tapertura Mejor
Alto Orden 4/tapertura El Mejor Rechazo >110 dB

Tabla 5. Configuraciones de Rechazo de Ruido DC

 

Medidas de Voltaje AC
Las señales AC típicamente están caracterizadas por amplitud rms, la cual es una medida de su energía total. RMS son las siglas por su nombre en ingles, root-mean-square (en español, valor cuadrático medio). Para calcular el valor rms de una forma de onda, usted debe tomar la raíz de la media aritmética de los cuadrados del nivel de la señal. Aunque la mayoría de los DMMs hacen este procesamiento de señales no lineal en el dominio analógico, el FlexDMM utiliza un DSP integrado para calcular el valor rms de muestras digitalizadas de la forma de onda AC. Como resultado se obtienen lecturas sin ruido, precisas y de rápida estabilización. El algoritmo digital automáticamente rechaza el componente DC de la señal, haciendo posible que se pueda evitar la entrada de estabilización lenta del capacitor. Para medir voltajes AC pequeños en la presencia de desfases DC amplios, tales como el rizado en una fuente de alimentación DC, el FlexDMM ofrece el modo estándar de volts AC, en el que el capacitor de acoplamiento elimina el desfase y el FlexDMM utiliza el rango más sensible.

El algoritmo rms utilizado por el FlexDMM requiere sólo cuatro periodos (ciclos) de la forma de onda para obtener una lectura sin ruido. Por ejemplo, requiere una apertura de medida de 4 ms para medir con precisión una onda sinusoidal de 1 kHz. La ventaja proporcionada por esta técnica se extiende al rendimiento del sistema. Con los DMMs tradicionales, es necesario esperar a que un convertidor Trms se establezca antes de realizar una medida. Con el FlexDMM, no hay convertidor Trms que se deba establecer. El resultado es una tasa de lectura AC más rápida, y esta ventaja es importante en los sistemas con conmutación.

El enfoque digital a los cálculos de rms ofrece beneficios de precisión también. El algoritmo es completamente insensible al factor de cresta, y puede proporcionar lecturas estables y sin ruido de manera excepcional. El FlexDMM garantiza precisión AC hasta en el 1 por ciento de la escala completa, en vez de en el 10 por ciento de la escala completa como lo garantizan los DMMs tradicionales; y también se obtienen lecturas que se pueden utilizar debajo del 0.1 por ciento de la escala completa.

Arquitectura de Medidas de Corriente


Extender el rango dinámico de las medidas de corriente en el DMM es uno de los requisitos para cubrir las demandas crecientes de los clientes. A nivel alto, usted podría necesitar monitorizar el rendimiento de carga de un monitor de batería o un dispositivo electromecánico. Los dispositivos electrónicos integrados de hoy en día requieren más potencia. Es por eso que está incrementando la necesidad de probar o caracterizar estos dispositivos a niveles mayores de 1 A. A bajo nivel, muchas aplicaciones hoy en día, tales como las características de apagado de los semiconductores, pueden tener niveles de microamperes o nanoamperes.

El PXI-4071 cubre estas necesidades al implementar una configuración innovadora de medida de corriente en estado sólido que proporciona ocho rangos de corriente DC, desde 1 µA a 3 A, y seis rangos de corriente ACrms, desde 100 µA a 3 A. El rango de 1 µA ofrece sensibilidad hasta de 1 pA, o 10-12 A. Para proporcionar ambos extremos se necesita un enfoque de diseño de circuito único. Los retos de protección contra alto voltaje o sobrecarga de corriente y las medidas de bajo consumo han sido mutuamente excluyentes históricamente. El FlexDMM implementa un enfoque de diseño único, mostrado en el diagrama en la Figura 12. Esta figura simplificada muestra tres de los cinco rangos de corriente utilizados en el PXI-4071.

 



Figura 12. Acondicionamiento de Señal de Corriente del PXI-4071 Simplificado


Al utilizar dispositivos de estado sólido para la selección de rangos de corriente se logra una fiabilidad más alta y una mejor protección en un espacio físico pequeño. Además, dos de los dispositivos de selección de rangos de corriente – Q3 y Q4 – entran en acción durante sobrecargas, y así protegen a los resistores sensores de corriente de alta estabilidad y proporcionan robustez para las aplicaciones más demandantes.

Arquitectura del Digitalizador Aislado de 1.8 MS/s


El FlexDMM PXI-4071 tiene la capacidad de adquirir formas de onda acopladas en DC de hasta 1000 VDC y 700 VAC (1000 Vp), introducidas a una velocidad de muestreo máxima de 1.8 MS/s. Usted puede variar la resolución del digitalizador de 10 a 23 bits simplemente cambiando la tasa de muestreo, como se refleja en la Figura 13. Con la capacidad del digitalizador aislado, el FlexDMM puede minimizar el precio total de un sistema de pruebas al eliminar la necesidad de comprar un digitalizador por separado y al reducir el tamaño del equipo de pruebas y costos de mantenimiento.



Figura 13. Modo Digitalizador de 1.8 MS/s del FlexDMM


Al combinar el software de desarrollo gráfico LabVIEW con el modo de digitalizador aislado de FlexDMM, usted puede analizar transitorios y otras formas de onda AC de alto voltaje no repetitivas en ambos dominios de tiempo y frecuencia. Ningún otro DMM de alta resolución presenta esta habilidad.

Por ejemplo, una aplicación común en la industria automotriz es la medida de voltaje de retorno en una bobina de encendido. La bobina de encendido, la cual crea altos voltajes utilizados para dirigir las bujías en el motor, está hecha de una bobina principal y una secundaria. La bobina secundaria generalmente tiene muchas más vueltas de alambre que la bobina principal, porque la relación de vueltas multiplicada por el voltaje aplicado a la bobina principal determina el voltaje de salida. Cuando la corriente es repentinamente desconectada, la caída del campo magnético induce un alto voltaje (+20,000 V) a la bobina secundaria. Después, este voltaje es transferido a las bujías.

Debido a que los voltajes son muy altos en la bobina secundaria, las pruebas se llevan a cabo en la bobina principal. La forma de onda de retorno está generalmente en el orden de los 10 µs con un pico de voltaje de 40 a 400 V, dependiendo de la bobina de encendido. Las medidas comunes en esta forma de onda son de voltaje pico de encendido, tiempo de carga de la bobina, y tiempo de quemado (tiempo que la chispa sigue fluyendo entre electrodos de la bujía). Utilizando la capacidad del digitalizador del FlexDMM y las funciones de análisis de LabVIEW, usted puede construir un sistema de medidas para voltaje de retorno.

Beneficios de un Digitalizador Aislado
Con el aislamiento, usted puede medir un voltaje pequeño en presencia de una señal de modo común grande con seguridad. Las tres ventajas del aislamiento son:

  • Rechazo mejorado – El aislamiento incrementa la habilidad del sistema de medidas para rechazar los voltajes de modo común. El voltaje de modo común es la señal que está presente o es "común" para ambas entradas, positiva y negativa, de un dispositivo de medida, pero no es parte de de la señal que se desea medir. Por ejemplo, los voltajes de modo común generalmente son de cientos de volts en una celda de combustible.
  • Seguridad mejorada – El aislamiento crea una barrera de aislamiento para que usted pueda realizar medidas flotantes mientras permanece protegido de grandes picos de voltajes transitorios. Un circuito de medida aislado adecuadamente generalmente puede tolerar picos mayores a 2 kV.
  • Precisión mejorada – El aislamiento mejora la precisión de medidas al prevenir físicamente lazos de tierra. Los lazos de tierra, una fuente común de errores y ruido, son el resultado de un sistema de medidas que tiene varias tierras a diferentes potenciales.

Arquitectura de Medidas de Resistencias

El FlexDMM tiene un amplio conjunto de características de medidas de resistencias. Ofrece capacidad de medida de resistencia con 2 y 4 cables. La técnica de 4 cables es utilizada cuando el uso de cables de prueba largos y conmutación resulta en desfases de resistancia en las terminales de prueba; esto causa que las medidas de baja resistencia sean difíciles. Sin embargo, hay situaciones en las que el desfase de voltaje introduce errores considerables.

Ohms de Desfase Compensado
Para estas situaciones, el FlexDMM proporciona medidas con compensación de desfase, las cuales no son sensibles a los desfases de voltaje encontrados en muchas aplicaciones de medidas de resistencia:

  1. Sistemas de conmutación que utilizan relés reed sin compensación (los relés reed sin compensación pueden tener voltajes de desfase mayores a 10 µV a causa del Kovar, el material de terminales utilizado en el sello de cristal de los dispositivos)
  2. Medidas de resistencia en circuito (por ejemplo, medidas de resistencias en los conductores de fuentes de potencia mientras que el circuito bajo prueba tiene potencia aplicada)
  3. Medidas de la resistencia de fuente de las baterías, resistencia dinámica de diodos en región activa, etc.


En el Caso 1 mencionado anteriormente, un sistema de pruebas a menudo se construye con conmutación optimizada para tareas diferentes a las de medir de resistencias. Por ejemplo, los relés reed son comunes en los sistemas de pruebas RF porque tienen características de impedancia predecibles y alta fiabilidad. En tal sistema, usted podría querer medir también resistencias de dispositivos bajo prueba, y los relés reed podrían ya existir en el sistema.

En el Caso 3, un ejemplo sería medir la resistencia de un cable del bus de una fuente de alimentación encendida. (Nota: Se necesita tener mucho cuidado al realizar estas pruebas.) Asuma que la resistencia está en el rango de los 10 mΩ. Si hay 100 mA fluyendo a través de esta resistencia, la caída de voltaje es:

V = 100 mA x 10 m = 1 mV


Un DMM sin compensación de desfase en el rango de 100 interpreta esto como 1 Ω; porque piensa que el voltaje está siendo generado por la fuente de corriente interna de 1 mA que pasa por el cable que usted está midiendo. El DMM no puede distinguir. Con el FlexDMM y la función de Ohms de Desfase Compensado habilitada, el desfase de 1 mV es distinguido y rechazado, y el valor correcto de la resistencia es proporcionado.

 


Figura 14. Primer Ciclo con Corriente Encendida  Figure 15. Segundo Ciclo con Corriente Apagada


Esta medida involucra dos ciclos. Uno es medido con la fuente de corriente encendida, como se muestra en la Figura 14. El segundo es con la fuente de corriente apagada, como se muestra en la Figura 15. El resultado neto es la diferencia entre las dos medidas. El voltaje de desfase está presente en ambos ciclos, por lo que se elimina y no afecta el cálculo de la resistencia, como se muestra a continuación.

VOCO = VM1 - VM2 = (ISRX + VTÉRMICO) - VTÉRMICO = ISRX

Por lo tanto:

RX = VOCO/IS

Conclusión


National Instruments ha desarrollado el PXI-4071, un nuevo FlexDMM de alto rendimiento, de 3U y con una ranura, basado en su tecnología FlexADC. Muchas de las tradicionales funciones analógicas propensas a errores de los DMMs convencionales han sido reemplazadas, al utilizar un digitalizador de alta velocidad comercial, tecnología DSP y la potencia de la PC principal. La auto calibración proporciona precisión óptima en el rango completo de temperatura de operación de 0 a 55 ºC, con un ciclo de calibración mayor a dos años. Combinado con elementos de referencia integrados altamente estables, el resultado es el DMM PXI más rápido y más preciso del mundo, con funciones que no se rivalizan entre ellas y un rendimiento que compite exitosamente contra la mayoría de los DMMs tradicionales.