¿Sus datos son inexactos debido al tiempo de estabilización del amplificador de instrumentación?

Es posible que no sea consciente de que los datos analógicos que adquiera pueden no reflejar con precisión las señales del mundo real que mide. Por ejemplo, cuando utiliza un dispositivo de adquisición de datos (DAQ) plug-in, como un dispositivo de E/S multifunción con un convertidor analógico-digital (ADC) de resolución de 12 bits y escanea 16 canales en busca de entrada con una frecuencia de muestreo de 100 kS/s, es posible que los datos adquiridos no sean precisos de 12 bits. Los datos que recupera la placa DAQ aparecen libres de errores porque no se perdieron datos; sin embargo, los datos recuperados pueden no estar dentro de la precisión especificada de ADC. Este es el resultado del tiempo de asentamiento del amplificador de instrumentación, una consideración importante cuando se utiliza cualquier placa DAQ plug-in.

Hay dos maneras de reducir las imprecisiones causadas por el tiempo de asentamiento del amplificador: 

• Seleccione una placa DAQ con un amplificador de instrumentación que se garantice que se asiente en todas las tasas de muestreo y ganancias.
• Reduzca las tasas de muestreo.

El tiempo de asentamiento es la cantidad de tiempo requerido para que una señal que se está amplificando alcance una cierta precisión y permanezca dentro del rango especificado de precisión. Para ver cómo afecta el tiempo de asentamiento a un sistema DAQ, considere el diagrama de bloques de la Figura 1. Este diagrama de bloques muestra los componentes principales en una placa DAQ que son necesarios para adquirir datos analógicos en una computadora:

• Un multiplexor (mux)
• Un amplificador de instrumentación
• ADC de muestreo
• Un buffer primero en entrar primero en salir (FIFO)

Figura 1. Principales componentes de una placa DAQ conectable

Las señales del mundo real que se miden se enrutan primero desde un canal particular a través del multiplexor. Las señales entran entonces en el amplificador de instrumentación. El amplificador de instrumentación aplica una cantidad especificada de ganancia a una señal de entrada, lo que eleva la señal a un nivel más alto y garantiza una conversión A/D adecuada. El amplificador también convierte cualquier señal de entrada diferencial aplicada a la placa DAQ en una salida de un solo extremo para que el ADC pueda digitalizar correctamente los datos. El ADC luego muestrea y mantiene la señal hasta que la señal se digitaliza y se coloca en el buffer FIFO en la placa. En la FIFO, la señal digitalizada está lista para ser transferida desde la placa a la memoria del ordenador a través del bus del PC para su posterior procesamiento.

El tiempo necesario para amplificar la señal al nivel superior manteniendo la precisión del ADC – en otras palabras, el tiempo de asentamiento del amplificador de instrumentación – es una preocupación importante cuando se utilizan placas DAQ plug-in. El amplificador de instrumentación debe estabilizarse antes de que se realice la conversión A/D o sus datos serán inexactos. Si el amplificador no se estabiliza, el voltaje digitalizado será mayor o menor que la señal de voltaje real que intentó adquirir.

El tiempo de asentamiento es el resultado de muchos factores en el amplificador de instrumentación. Considere un diseño estándar de circuito de filtro paso bajo de resistencia-capacitancia (RC). Cuando aplica un paso de voltaje a un circuito RC, la señal requiere una cierta cantidad de tiempo para elevarse y establecerse dentro de un porcentaje del voltaje que desea, como se ve en la Figura 2. Este porcentaje de V es el rango de precisión, y el tiempo que tarda la señal en llegar dentro del rango especificado es el tiempo de asentamiento.

Figura 2. Tiempo de asentamiento de un circuito RC estándar

La figura 3 muestra las características del tiempo de asentamiento de un amplificador de instrumentación estándar. Observe que la señal se eleva por encima del rango, oscila y se estabiliza dentro del rango aceptable de precisión. Una vez más, el tiempo que tarda la señal en alcanzar el rango de precisión es el tiempo de asentamiento.

Figura 3. Tiempo de asentamiento de un amplificador de instrumentación

Para entender mejor el concepto, compare el tiempo de asentamiento del amplificador con el tiempo de asentamiento de un sistema de masa de resorte. La figura 4a muestra un resorte con una masa colgando de él en reposo. La figura 4b muestra el resorte estirado de modo que cuando la masa se libera, como en la figura 4c, comienza a rebotar. Cuando la distancia de rebote disminuya a un rango especificado o aceptable de la posición de reposo, como en la figura 4d, se considerará que el sistema se ha asentado. El tiempo desde que se libera el resorte hasta que su rebote disminuye al rango de movimiento deseado es el tiempo de asentamiento.

Figura 4. El asentamiento de un sistema de masas primaverales

Observe la similitud entre el asentamiento de un sistema de resorte-masa y el tiempo de asentamiento del amplificador. Cuando el amplificador aplica ganancia y la señal se cambia al valor deseado, pasa un período de tiempo hasta que la señal alcanza y permanece dentro del rango aceptado de precisión. Este período de tiempo es similar al tiempo que el sistema resorte-masa tarda en disminuir su rebote dentro del rango aceptable.

Las siguientes secciones detallan dos métodos para determinar el tiempo de asentamiento de su placa DAQ: uno con señales de CC y otro con señales de CA.

Prueba de tiempo de estabilización de señal CC

La figura 5 muestra la prueba de señal de CC, en la que dos señales de CC están conectadas a la placa DAQ. Para ejecutar la prueba, conecte una señal ± a los canales 1 y 2, respectivamente. Las señales de entrada deben estar cerca, pero no por encima, del rango de entrada a gran escala de la placa DAQ cuando se aplica una ganancia alta. Por ejemplo, una entrada de ±0,048 V con una ganancia de 100 da como resultado una señal de 4,8 V, que es 0,2 V menos que el valor de escala completa de la placa. Al ejecutar esta prueba, es importante que no introduzca una señal mayor o igual al valor de escala completa, ya que esto puede saturar el amplificador y dar como resultado un tiempo de asentamiento más largo. A continuación, complete al menos una adquisición de datos temporizados de un solo canal de 100 puntos para cada canal y promedie los resultados para obtener una tensión de referencia positiva y negativa. En la figura 5, estas tensiones de referencia se representan por las líneas etiquetadas VREF y -VREF.

Después de adquirir los valores de referencia individualmente, adquiera 100 puntos a la tasa de muestreo máxima para los dos canales, alternando el muestreo entre los canales; esto también se llama escanear los canales. La figura 5 muestra estos puntos como puntos cerca de las líneas de tensión de referencia.

Una vez más, promedie los datos; usará este promedio para calcular el error de tiempo de asentamiento a la tasa de muestreo máxima. En la Figura 5, el promedio de los datos positivos es de 0.04 V; el promedio de los datos negativos es de –0.048 V.

Para calcular el error, calcule la desviación máxima entre las tensiones de referencia y los promedios positivo y negativo de los datos escaneados; en otras palabras, reste los datos escaneados promedio de las tensiones de referencia positivas y negativas y utilice el máximo de los valores absolutos. Esta desviación es la cantidad de error de tiempo de asentamiento en la tensión a la tasa de muestreo máxima. En el ejemplo de la figura 5, las desviaciones positivas y negativas son de 0,01 V y –0,002 V respectivamente, lo que resulta en un error máximo de tiempo de asentamiento de 0,01 V.

Figura 5. Prueba de tiempo de estabilización de señal CC

Repita este proceso a diferentes velocidades de muestreo y ganancias hasta que la placa se asiente con la precisión especificada. Para trazar el error en bits menos significativos (LSB) frente al tiempo, divida el valor absoluto de la desviación máxima por el voltaje igual a 1 LSB para la ganancia que aplicó. Por ejemplo, en la Figura 5,

con una ganancia de 100. Por lo tanto, el error de 0.01 V en la Figura 5 es igual a 409.8 LSBs. Invierta la tasa de muestreo para calcular el tiempo de estabilización con esa cantidad particular de error. A una velocidad de muestreo de 100 kS/s, por ejemplo, el tiempo de sedimentación es de 10 μs. Una vez que se haya completado el trazado, compare el trazado con la precisión especificada de la placa para ver cuánto tiempo tarda su placa en estabilizarse con la precisión especificada.

Prueba de tiempo de estabilización de señal CA

La figura 6 muestra la prueba de señal de CA. En la Figura 6, una señal de CA de baja frecuencia a escala completa está conectada al canal 1, y el canal 2 está conectado a tierra. Alternando el muestreo entre ambos canales (exploración) a la velocidad de muestreo máxima, como se muestra en el gráfico superior de la Figura 6, y realizando una transformada rápida de Fourier (FFT) en los datos del canal 2, como se muestra en el gráfico inferior, puede ver si el amplificador se asentó correctamente.

Si aparecen picos grandes en el gráfico FFT a la frecuencia de la señal de entrada del canal 1, como en la Figura 6, el amplificador no se asentó completamente. La magnitud del pico es la cantidad de error de voltaje; el tiempo de asentamiento correspondiente es el inverso de la tasa de muestreo. Tenga en cuenta que el uso de una señal de entrada que es demasiado alta en frecuencia podría causar diafonía, que parecería lo mismo que un error de tiempo de asentamiento en el espectro del canal 2.

 Nota: La diafonía es un fenómeno natural esperado causado por la proximidad de las señales y la capacitancia, lo que resulta en un acoplamiento no deseado de las señales. Todos los tableros de DAQ tienen cierta medida de diafonía.

Figura 6. Prueba de tiempo de estabilización de señal CA

Repite este proceso con diferentes frecuencias de muestreo y ganancias para ver qué tan rápido se asienta el amplificador y con qué cantidad de error. Cuando haya minimizado la magnitud del pico en el gráfico de FFT, el amplificador se ha asentado correctamente. Puede utilizar este proceso para determinar la frecuencia de muestreo y la ganancia a la que puede adquirir datos con precisión con su placa DAQ.

La ganancia, la multiplexación, la impedancia de salida de la fuente y la resistencia y capacitancia de la línea de transmisión afectan al tiempo de asentamiento. La ganancia y el tiempo de asentamiento normalmente tienen una relación directa: durante la amplificación, el amplificador de instrumentación tarda más en establecerse con ganancias más altas debido a la disminución del ancho de banda y la mayor resolución de la señal.

La multiplexación puede hacer que el tiempo de asentamiento aumente cuando se escanea más de un canal.  La conmutación rápida entre múltiples canales a diferentes valores de CC resulta en una entrada de alta frecuencia al amplificador de instrumentos.  Un ejemplo de la entrada del amplificador de instrumentos durante la multiplexación se muestra en la Figura 7.  

Figura 7. Entrada al amplificador de instrumentación al multiplexar 42 señales de CC

El amplificador de instrumentación requiere tiempo para establecerse una vez que se aplica un voltaje a su entrada.  Si los canales se conmutan y muestrean a una velocidad más rápida que el tiempo de asentamiento del amplificador, resultarán lecturas inexactas.  Este problema se vuelve más pronunciado si la diferencia de voltaje entre canales adyacentes es grande.

La multiplexación de los canales de entrada con altas impedancias de fuente da como resultado tiempos de asentamiento del amplificador más largos.  La alta impedancia de la fuente combinada con la carga y descarga de las capacitancias inherentes al multiplexor durante la conmutación pueden causar más inexactitudes al escanear múltiples canales. A medida que la corriente que se descarga del multiplexor busca tierra, la corriente pasa a través de la fuente de alta impedancia; la corriente y la fuente de alta impedancia se combinan para producir una tensión. Esta tensión se añade a la señal original y da como resultado datos inexactos.

Los efectos de la línea de transmisión también influyen en el tiempo de asentamiento cuando utiliza fuentes de mayor impedancia. La carga asociada a la capacitancia en el cable aumenta el tiempo de asentamiento del sistema. El resultado de la capacitancia del cable es similar a tener pequeños filtros paso bajo en el cable que tardan en cargarse y descargarse, causando una disminución en el rendimiento de la señal.

Si comparas las prestaciones de dos placas DAQ que tienen los mismos ADC de resolución pero diferentes amplificadores de instrumentación, notarás la variación extrema que provocan las diferencias en los tiempos de asentamiento. Las figuras 8 y 9 muestran los resultados de las pruebas de tiempo de estabilización de señales de CC para dos placas DAQ plug-in multifunción de NI: una placa tiene un amplificador de instrumentación comercial y la otra contiene el NI-PGIA™. Para crear los gráficos de las figuras 8 y 9, se introdujeron señales de ±0,048 V en los canales 1 y 2 de cada placa con una ganancia de 100, y se ajustaron las tasas de muestreo para demostrar los efectos del tiempo de sedimentación.

Figura 8. Prueba del tiempo de estabilización de CC de una placa usando un amplificador de instrumentación listo para usar

Figura 9. Prueba del tiempo de estabilización de CC de una placa usando el NI-PGIA

La placa de bajo costo utilizada para generar la Figura 8 contiene un amplificador de instrumentación listo para usar, que ilustra el margen de error. La tabla tardó entre 16 y 17 μs en establecerse en 0.5 LSB, la precisión especificada. La placa de alta precisión y alto rendimiento utilizada para generar la Figura 9 contiene el amplificador de instrumentación NI-PGIA, que National Instruments diseñó específicamente para placas DAQ plug-in para resolver problemas de tiempo de asentamiento. Observe cuánto más rápido se instala el NI-PGIA que el amplificador de la placa de bajo costo.

La Figura 10 compara el tiempo de asentamiento del NI-PGIA con un amplificador de instrumentación estándar listo para usar. El NI-PGIA se establece con una precisión de 12 bits aproximadamente cinco veces más rápido que el amplificador de instrumentación estándar, que también reveló la prueba de señal de CC.

El NI-PGIA difiere de los amplificadores de instrumentación estándar disponibles porque el NI-PGIA está especialmente diseñado para establecerse con una precisión de 12 bits en 2 μs. La alta precisión y el bajo tiempo de asentamiento del NI-PGIA se deben en gran medida a los amplificadores operacionales de entrada (op amps), que funcionan a una ganancia cercana a 1 en bucle cerrado independientemente de la ganancia programada. Esto difiere de la mayoría de los amplificadores operacionales, que funcionan con una ganancia creciente de bucle cerrado a medida que aumenta la ganancia programada.

El diseño del NI-PGIA permite que el ancho de banda y la linealidad se mantengan relativamente constantes a medida que aumenta la ganancia. Por lo tanto, el tiempo de asentamiento se mantiene dentro del rango de 2 μs incluso en la ganancia más alta de 100. La no linealidad es de aproximadamente 1,5 partes por millón (ppm), y el error de ganancia para el NI-PGIA es de ±0,02%. La variación en el error de ganancia se debe principalmente a la coincidencia de la relación de las resistencias de ajuste de ganancia del NI-PGIA. La función principal de las resistencias es establecer la ganancia NI-PGIA que se va a aplicar a la señal de entrada.

Mientras que la relación de rechazo de modo común (CMRR) de CC de la mayoría de los amplificadores de instrumentación generalmente disminuye a medida que disminuye la ganancia, la CMRR de CC del NI-PGIA es casi independiente de la ganancia. Al igual que con la mayoría de los amplificadores de instrumentación estándar, el NI-PGIA AC CMRR exhibe una degradación de baja ganancia debido a la capacitancia parásita interna. El NI-PGIA utiliza un diseño de transconductancia que convierte con precisión las señales diferenciales de entrada en señales de extremo único, elimina la necesidad de resistencias bien adaptadas dentro del amplificador de instrumentación y contribuye a la alta precisión del NI-PGIA.

La forma más eficaz de reducir el tiempo de asentamiento es utilizar una placa DAQ con un amplificador de instrumentación que se garantiza que se asiente con la precisión que necesita en todas las ganancias y tasas. Debido a que el amplificador de instrumentación es donde se produce la mayor parte del retardo del tiempo de asentamiento, seleccione una placa con un amplificador de instrumentación superior para adquirir los datos más precisos. 

Si ya tiene una placa DAQ sin un amplificador de instrumentación especial, hay algunas otras técnicas que puede usar para reducir los efectos del tiempo de asentamiento en la adquisición de datos. Sin embargo, ninguna de estas técnicas es tan efectiva como el uso de una placa con un amplificador de instrumentación que se garantice para establecerse con la precisión que necesita en todas las tasas y ganancias.

Una técnica para manejar los efectos del tiempo de asentamiento es disponer especialmente las señales de entrada de acuerdo con si está usando exploración de canal continua o de intervalo, como se muestra en la Figura 11. La disposición de la señal puede no ser posible en todas sus aplicaciones, pero considere este método inicialmente.

Para explorar canales de forma continua lo más rápido posible con la misma cantidad de tiempo que transcurre entre cada canal, debe considerar organizar las señales de manera que la oscilación de voltaje sea constante entre cada canal. Sin embargo, cuando es hora de muestrear la secuencia de canales de nuevo, debe muestrear el primer canal dos veces para darle tiempo al amplificador para que se asiente. Al repetir la primera muestra de canal, el amplificador tiene el tiempo necesario para compensar la oscilación máxima de voltaje.

El escaneo a intervalos implica escanear todos los canales lo más rápido posible, con un retraso antes de comenzar a muestrear el primer canal de nuevo. Este tipo de exploración permite que la mayor oscilación de voltaje en los canales se produzca entre el último canal muestreado y la repetición de la primera muestra de canal, lo que le da tiempo al amplificador para establecerse sin ningún requisito adicional.

Figura 11. Disposición de la señal para la exploración de canales a intervalos y continua

Seleccionar el material de cableado adecuado también ayuda a reducir los efectos del tiempo de asentamiento. El cableado es otra consideración debido a la capacitancia que existe en los cables. Evite seleccionar cables con capacitancias más altas debido al tiempo de retardo asociado con la carga y descarga. Para reducir la cantidad de capacitancia en un cable, mantenga la longitud del cable lo más corta posible y seleccione cables hechos de un material dieléctrico de baja capacitancia natural como polipropileno.

Una técnica final que puede utilizar para reducir los efectos del tiempo de sedimentación es reducir la tasa de muestreo y seleccionar fuentes que tengan impedancias de salida bajas. La reducción de la frecuencia de muestreo le da al amplificador de instrumentación el tiempo para establecerse con la precisión que desea. Sin embargo, si reduce la frecuencia de muestreo a menos del doble de la frecuencia de entrada máxima, se obtiene una forma de onda submuestreada y datos inexactos.

Cuando no pueda utilizar un dispositivo con una impedancia de salida baja, puede utilizar un módulo de acondicionamiento de señal o amplificador con una impedancia de salida baja que actúe como un buffer para la entrada de la placa. Con este buffer, comúnmente denominado buffer de ganancia unitaria o seguidor de voltaje, el multiplexor puede recibir señales de baja impedancia de fuentes de alta impedancia, reduciendo así los efectos del tiempo de asentamiento.

Cuando el amplificador no se instala lo suficientemente rápido para sus requisitos de frecuencia, debe considerar seleccionar otra placa DAQ que se instale a la frecuencia de muestreo que necesita.

La selección de la placa DAQ adecuada con respecto al tiempo de estabilización implica algunas cuestiones clave. En primer lugar, determine la tasa de muestreo máxima y las ganancias que requiere su aplicación; debe seleccionar una placa DAQ que se ajuste a sus especificaciones. Si ya tiene una placa DAQ, ejecute la prueba de tiempo de asentamiento de CC o CA para determinar el tiempo de asentamiento de su placa.

Después de conocer las restricciones de su placa DAQ, considere la impedancia de salida de sus señales y organice sus señales si es posible para minimizar el cambio de voltaje entre canales. Finalmente, seleccione cables que sean lo más cortos posible con baja resistencia y capacitancia. Usando estas pautas, puede resolver todas sus preocupaciones sobre el tiempo de liquidación y estar seguro de que sus datos adquiridos son exactos.

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