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12 de diciembre de 2011

TUTORIAL 4993 Reducir las posibilidades de errores humanos: Parte 2, Amplificadores y Súper Filtros para interfaz analógica

Resumen: Un punto de vista común sostiene que los circuitos digitales sólo trabajan naturalmente, pero los circuitos analógicos son difíciles de implementar. No es verdad que la vieja creencia de interfaz analógica, es un tema de expertos que requiere de un entrenamiento. Siempre es mejor evitar un problema que tratar de resolverlo después. Es precisamente por eso debemos tomar ventaja de algunos conceptos básicos que han experimentado los ingenieros analógicos y que funciona como un reflejo. Esta nota de aplicación ofrece algunos recordatorios y conceptos básicos sobre los amplificadores y filtros para que usted pueda tener en cuenta durante el diseño.

 

Introducción

Como los niños que aprendieron a compartir y en ese proceso hemos aprendido acerca de porciones. Muchos padres enseñaron a los niños, a cortar el pastel o torta y luego dejar que otro niño escoja la primera pieza. Podemos estar seguros de que el gran cuidado se utilizó para hacer todas las piezas del mismo tamaño. Esto nos recuerda una buena lección de vida ", es la relación entre lo que cuenta." Usamos relaciones en la vida cotidiana cuando se comparan las distancias entre las diferentes rutas o el sabor de dos de los alimentos. (Sí, la cocina de mamá era mejor, o tal vez éramos demasiado jóvenes para saber la diferencia?). El paso de los niños, tartas y pasteles a la ingeniería de diseño analógico, nos damos cuenta de que las relaciones-la cantidad relativa, proporción, porcentaje, la participación, que forma parte y la fracción de todas las mediciones son importantes en el diseño analógico. Cuando pasamos por alto estas relaciones y las relaciones, se introduce un error humano en lo que debe ser un proceso precisa. Esta nota de aplicación comparte algunos conceptos análogos sobre los amplificadores y filtros que ayudarán a reducir las posibilidades de "humano" de error y mejorar el diseño analógico.

Consideraciones sobre la Relación señal a ruido ( SNR )

Diafonía y relación señal a ruido (SNR) se expresan como cocientes, una proporción de bueno a malo. ¿Cómo se puede mejorar la relación señal ruido de una señal? Si un circuito en particular contribuye mucho ruido, tenemos dos opciones básicas: primero, reducir el ruido de alguna manera, o en segundo lugar, aumentar la amplitud de la señal de buena antes de pasar por el escenario. Figura 1 ilustra el concepto. Figura 1. Fuente de alimentación es el ruido a la señal. En nota de aplicación 4992, " reducir las posibilidades de error humano: parte 1, de alimentación y tierra ", que se concentró sobre el ruido de alimentación, tierra, y el diseño. En este artículo examinamos cómo acompañante para controlar el ruido en la señal. Se discuten las características de la señal y el ruido a medida que avancemos por las fases de circuitos diferentes. ¿Es el ruido de las principales fuente de armónicos de una fuente de alimentación conmutada? Si el ruido de la fuente de alimentación es de 50 kHz y superior, y si nuestra señal deseada es de 1 kHz, luego de filtrado puede ser factible. Si vamos a ir en una próxima ADC, el filtro anti-aliasing puede ayudar.
Figura 1.  Fuente de alimentación es el ruido a la señal.


Reducción del ruido

¿Qué posibilidades tiene un experimentado diseñador de circuitos evaluar? La solución es más simple para amplificar la señal antes de que el ruido se añade. Sí, bastante sencillo, pero por desgracia esta solución a menudo no se pueden utilizar debido a que la señal de entrada ya tiene el ruido presente. Así que ahora que ser creativo y estudiar la forma de separar la señal del ruido? ¿Se puede utilizar paso alto, paso bajo, o filtros de banda? Podemos discriminar sobre la base de la amplitud, la limitación, supresión de ruido, o extracción de muestras? ¿Se puede utilizar preemphasis antes de que el ruido se introduce y deemphasis después de aumentar SNR? Podemos discriminar sobre la base de tiempo, es decir, muestra un nivel de ruido mínimo o el tiempo de interferencia?¿Podemos media hora, o si la señal es repetitiva, podemos resumir los ciclos o la media de dos, tres o más dimensiones? Pasando de funciones de los componentes, pensar en el sistema como un todo. ¿Cuáles son los objetivos del sistema? ¿De qué manera el sistema se utilice? ¿Cómo los sentidos humanos interactúan con la información proporcionada por el sistema? En definitiva, considerar toda la información que podamos reunir. El conjunto anterior de preguntas refleja la experiencia de diseño y gran cultura. Esto es precisamente por qué las empresas inteligentes contratar ingenieros con experiencia y el mentor de nuevos ingenieros para construir un equipo sólido diseño. Podemos usar un ejemplo para ilustrar el proceso de pensamiento y el desarrollo. La primera observación señala que el sistema tiene una alta ganancia del amplificador operacional en su entrada. El amplificador operacional se alimenta de un convertidor de analógico a digital (ADC). De vez en cuando un impulso de gran ruido aparece en la señal y esto hace que el amplificador operacional para saturar. El amplificador operacional tiempo de recuperación puede ser tan largo como milisegundos o segundos. ¿Cómo vamos a abordar el tema? Puesto que cada caso será diferente, nos limitaremos a hacer preguntas y señalar las posibles soluciones. En primer lugar, recopilar datos para tratar de entender lo que está sucediendo. ¿Se puede arreglar la fuente? No. Así que decidimos que el ruido de pico es inevitable. ¿Qué sabemos acerca de su amplitud y la duración de tiempo de subida? Si la subida es muy rápido y estrecho, y nuestra señal deseada es relativamente lento, se les puede separar por filtración? ¿Se puede detectar el pico abierto y un conmutador de la serie en blanco el pico del camino principal? Se podría agregar un par de diodos como una descarga electrostática (ESD) para recortar la estructura de cualquier señal que pasa por encima de V CC o bajo tierra? Podemos aprender de la nota de aplicación 4344, " Rail Splitter, desde Abraham Lincoln a la Zona Virtual? " En la Figura 2 de esta nota de aplicación se crea una tensión entre V CC y el suelo en el nivel medio de la señal de la señal deseada. Si la resistencia en serie fue sustituido por un par de back-to-back diodos (Figura 2), la señal de pico se limitaría a la tensión de 0,6 V ± a diodos de silicio (líneas rojas discontinuas) y ~ ± 0,3 V para diodos de Schottky ( verde líneas discontinuas). El tiempo de recuperación inversa de los diodos de silicio puede ser entre uno y varios cientos de cientos de nanosegundos. Diodos Schottky tienen un tiempo de conmutación ~ 100ps de los diodos de pequeña señal, pero, debido a su operación física, no tiene un tiempo de recuperación inversa. Los diodos también se puede colocar en el circuito de retroalimentación amplificador operacional para reducir la ganancia en la punta. Figura 3 muestra el efecto de la limitación. Figura 2. Sustitución de una resistencia en serie con un par de back-to-back diodos. Figura 3. Diodo de efecto limitador, ± 0,3 V Schottky, ± 0,6 V de silicio. Figura 3 puede ayudar a aliviar la saturación de amplificador operacional y el tiempo de recuperación, pero ¿es suficiente? Podríamos añadir los circuitos de dejar en blanco el pulso de ruido como en la Figura 4 . Figura 4. Supresión del ruido de impulsos. El diagrama de bloques del circuito de cierre es la figura 5 . Figura 5. Ruido de cierre diagrama de bloques. Desde el concepto básico de la supresión de la figura 5, más elegancia se puede añadir.El buffer de entrada puede no ser necesario si la fuente es de baja impedancia . R1 y R2 establecer un valor de CC, como se muestra en la nota de aplicación 4344, "Rail Splitter, desde Abraham Lincoln a la Zona Virtual", mencionado anteriormente. Por otra parte, la señal de entrada puede ser acoplado en AC a esta misma tensión o la señal de entrada puede ser un promedio de largo plazo para producir esta tensión. El recorrido de la señal principal es el buffer de entrada a través de un retardo RC, el búfer mux, y filtro de paso bajo a la ADC. El MAX11203 ADC tiene cuatro propósitos generales entrada o salida ( GPIO ) los puertos controlados por el SPI interfaz. La GPIO está establecida de manera que el AIN1of el MAX313 multiplexor está encendido y AIN2 está apagado. Nos pasa-altos o diferenciar el pulso de ruido. El doble o comparador de ventana de salida se activa mientras que el pulso de ruido superior a 0,3 V, ya sea en sentido positivo o negativo. El XOR cerrada a la lógica del mux, con lo que apagar el camino principal y el cambio en el voltaje de CC. El retraso RC también retrasa el camino principal lo suficiente para que el camino de comparación para cambiar el estado. Si el retraso RC degrada la señal de ancho de banda en exceso, una carta de crédito de línea de retardo puede ser sustituido. El buffer de entrada de la figura 5 puede utilizar un MAX4209amplificador de instrumento, que ha compensado la deriva muy baja a pesar de su alta ganancia. Nota de aplicación 4179, " Cero automático de filtrado de ruido mejora la salida del amplificador de instrumentación ", explica el por qué.El filtro justo antes de la ADC en la Figura 5 puede controlar el ancho de banda de la señal para cumplir con Nyquistanti-aliasing, reducir el ruido, o suavizar el residual de cierre falla . Las notas de aplicación las siguientes proporcionan consejos e ideas:


Figura 2.  Sustitución de una resistencia en serie con un par de back-to-back diodos.

Figura 3.  Diodo de efecto limitador, ± 0,3 V Schottky, ± 0,6 V de silicio.


Figura 4.  Del ruido de impulsos ciegos.


Figura 5.  Ruido de cierre del diagrama de bloques.



Nota de aplicación 4617, " Traductor ADC de entrada ", utiliza la resistencia de divisores para escalar el diferencial delos insumos y una tensión de referencia estable para compensar las entradas. Este diseño del circuito permite un ADC con un rango de entrada de 0V a 5V (por ejemplo, el MAX1402 ) para aceptar entradas en el rango de 10,5 V a 10,5 V-. Calibración con ideas digital a analógico (DAC) y los potenciómetros se tratan en notas de aplicación 4494, "Métodos de Calibración de error de ganancia en los sistemas de datos-Converter ", y 818," Ajuste digital de DC-DC de voltaje de salida del convertidor en aplicaciones portátiles . " La salida digital de ajuste de tensión de los métodos se llevan a cabo con el CAD, un potenciómetro de ajuste (potenciómetro digital), y PWM de salida de un microprocesador. Nota de aplicación 4704, " Introducción a la calibración electrónica y los métodos para corregir las tolerancias de fabricación en el diseño de equipos industriales ", incluye un análisis de la DS4303 infinita muestra y retención para captar una tensión continua. Otras notas de aplicación sobre las ollas digitales incluyen:

E / S analógicas, digitales y circuitos de interfaz de puerto ideas de protección de la señal se discuten en las notas de aplicación lo siguiente:

Maxim cuenta con circuitos de vigilancia que garanticen que los dispositivos controlados por microprocesador reaccionar de una manera conocida, si el procesador pierde el control. Las notas de aplicación siguientes ofrecen ideas para el uso de perros guardianes: 4558, " simple y el temporizador Watchdog enganche "," y 4229,Comparación de los temporizadores de vigilancia interna y externa . " controlado por microprocesador, los relojes del sistema por lo general son de dos tipos: los relojes del sistema controlar las funciones de la computación en la ordenada caminos, y los relojes en tiempo real ( RTC ) o los relojes que se relacionan con los conceptos de tiempo humana. Relojes de los ordenadores funcionan igual que los soldados marchando en cadencia. Esto puede dar lugar a productos de interferencia que pueden no cumplir los requisitos reglamentarios. Generador de reloj-técnicas de espectro ensanchado para reducir esta interferencia se tratan en estas notas: 2863, " Los efectos de ajustar el DS1086L de Dither Span y la frecuencia de Dither en las medidas de EMC , "y 3512", aplicaciones de automoción para Silicon Spread Spectrum-osciladores . " Ideas RTC se encuentran en www.maxim-ic.com/appnotes10.cfm/ac_pk/21 .

Conclusión

Control de ruido y la interferencia es diferente en cada circuito y el sistema. Afortunadamente, las leyes de la física prevalecen y los ingenieros deben trabajar duro para apagar el ruido. Esta discusión ha tratado de ayudar a los diseñadores anticipar problemas de ruido y la interferencia antes de que el diseño se inicia y durante el diseño.Después de que el producto esté en producción, las opciones para la corrección son muy limitadas.

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