Comprender la arquitectura del PXIe-4081 FlexDMM de 7½ dígitos

NI introdujo su primer PXI FlexDMM en 2002. Este producto brindó a los ingenieros una solución para los desafíos de medidas inherentes a los instrumentos de precisión tradicionales: flexibilidad y rendimiento de medidas limitados. El FlexDMM ayudó a superar estos desafíos, ofreciendo un rendimiento de medidas que compite con los multímetros digitales (DMM) de mayor resolución, que a menudo cuestan miles de dólares más. NI ha continuado innovando en la arquitectura FlexDMM desde el lanzamiento:

• Duplicando el rendimiento de su modo de medidas más rápido
• Añadiendo un modo de digitalizador aislado de alto voltaje de 1.8 MS/s
• Lanzando una versión PCI del PXI-4070
• Lanzando el PXIe-4082 FlexDMM de 6½ dígitos y medidor LCR

La última innovación es el NI PXIe-4081 FlexDMM de 7½ dígitos. El PXIe-4081 FlexDMM ofrece 26 bits de precisión y resolución, lo que proporciona 10 veces más resolución y hasta un 60% más precisión que los dispositivos FlexDMM anteriores. El PXIe-4081 también ofrece rangos de medidas extremadamente amplios, como se muestra en la tabla 1, así usted puede medir voltaje de DC de ±10 nV a 1000 V, corriente de ±1 pA a 3 A y resistencia de 10 µΩ a 5 GΩ y realizar medidas de frecuencia/período y diodo. El FlexDMM cuenta con un modo de digitalizador aislado, en el que usted puede 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 las arquitecturas y los convertidores de analógico a digital (ADC) FlexDMM y DMM tradicionales.

Table 1. Comparación de entrada de FlexDMM

¹ PXIe-4082 únicamente. Considere el medidor LCR PXI para otras opciones para medir inductancia y capacitancia.

Los DMMs tradicionales generalmente se enfocan en la resolución y la precisión y no ofrecen capacidad para adquisición de alta velocidad. Por supuesto, existe una limitación inherente en el rendimiento del ruido versus la velocidad, que es una función de física básica. El ruido térmico de Johnson de un resistor es un ejemplo de un límite teórico y la tecnología de dispositivos semiconductores establece algunas limitaciones prácticas. Pero tiene muchas otras opciones para ayudarlo a lograr el mayor rendimiento de medidas posible. 

Algunos multímetros digitales de alta resolución y especializados ofrecen tanto resolución como velocidades un poco más altas, pero son muy costosos (cerca de $ 8,000 USD) y están disponibles solo en configuraciones de rack completo que abarcan una cantidad significativa de espacio en el sistema o en el banco.
Otra limitación de velocidad del DMM se debe a la plataforma de hardware tradicional: el bus de interfaz GPIB (IEEE 488). Esta interfaz, en uso desde los años 70, generalmente se considera el estándar a pesar de las limitantes en velocidad, flexibilidad y costo. La mayoría de los DMM tradicionales utilizan esta interfaz, aunque los estándares de interfaz alternativos, como USB y Ethernet, ahora están disponibles como opciones con DMMs tradicionales. Todas estas interfaces se comunican con el DMM enviando mensajes al instrumento y esperando una respuesta, que es inherentemente más lenta que el acceso basado en registros que se usa en los instrumentos modulares PXI.

Incluso con los primeros intentos de alejarse de la interfaz GPIB, la limitación básica de los DMMs tanto en velocidad como en precisión siguen siendo los ADCs utilizados en estos productos. Para comprender mejor las tecnologías utilizadas, debe examinar más de cerca qué ofrecen en términos de rendimiento.

Tecnología ADC de doble pendiente

Desde una perspectiva histórica, una de las maneras más antiguas pero más comunes de conversión A/D de precisión es el ADC de doble pendiente. Esta técnica se ha utilizado desde los años 50. Es básicamente un proceso de dos pasos. Primero, un voltaje de entrada (que representa la señal a medir) se convierte en una corriente y se aplica a la entrada de un integrador a través del interruptor S₁. Cuando el integrador está conectado a la entrada (al comienzo del ciclo de integración o apertura), el integrador se incrementa hasta el final del ciclo de integración o apertura, momento en el que la entrada se desconecta del integrador. Ahora, una corriente de referencia conocida y de precisión se conecta al integrador a través del interruptor S₂ y el integrador disminuye gradualmente hasta que cruza cero. Durante este tiempo, un contador de alta resolución mide el tiempo que tarda el integrador en disminuir desde donde comenzó. Este tiempo medido, relativo al tiempo de integración y de referencia, es proporcional a la amplitud de la señal de entrada. Ver la figura 1.

Figura 1. Diagrama de bloques del convertidor de doble pendiente

Esta técnica se utiliza en muchos DMMs de alta resolución, incluso hoy en día. Tiene la ventaja de la sencillez y la precisión. Con largos tiempos de integración, usted puede aumentar la resolución hasta límites teóricos. Sin embargo, las siguientes limitaciones de diseño afectan al rendimiento del producto:

• La absorción dieléctrica del capacitor integrador debe compensarse, incluso con capacitores integradores de alta calidad, que pueden requerir procedimientos de calibración complicados.
• La señal debe activarse y desactivarse, al igual que la referencia. Este proceso puede introducir una inyección de carga en la señal de entrada. La inyección de carga puede causar errores dependientes de la entrada (no linealidad), que son difíciles de compensar en resoluciones muy altas (6½ dígitos o más).
• El tiempo de disminución degrada seriamente la velocidad de las medidas. Cuanto más rápida sea la rampa descendente, mayores serán los errores que se introducen por retrasos del comparador, inyección de carga, etc.

Algunas topologías usan una etapa de transconductancia antes del integrador para convertir el voltaje en una corriente y luego usan redes de "dirección de corriente" para minimizar la inyección de carga. Desafortunadamente, esta etapa adicional introduce complejidad y posibles errores.

A pesar de estas limitaciones de diseño, los convertidores de doble pendiente se han utilizado en una infinidad de DMMs, desde las herramientas de banco o de servicio en campo más comunes hasta DMMs de alta resolución, metrología y alta precisión. Al igual que con la mayoría de las técnicas A/D de integración, tienen la ventaja de proporcionar un rechazo de ruido bastante bueno. Establecer el período de integración en un múltiplo de 1/PLC (frecuencia de línea de potencia) hace que el A/D rechace el ruido de frecuencia de línea, un resultado deseable.

Tecnología ADC de equilibrio de carga con disminución

Muchos fabricantes superan los problemas de velocidad y absorción dieléctrica inherentes a los convertidores de doble pendiente utilizando la técnica A/D de equilibrio de carga con disminución. Esta técnica es similar a la doble pendiente pero aplica la señal de referencia en incrementos cuantificados durante el ciclo de integración. Esto a veces se llama "modulación". Cada incremento representa un número fijo de conteos finales. Ver la figura 2.

Figura 2. Diagrama de bloques del convertidor de equilibrio de carga

Durante esta fase de integración, representada en la figura 2 por la t_apertura, se enciende S₁ y se aplica V_x a través de R₁, lo que inicia la variación del integrador. Se aplica corriente opuesta a intervalos regulares a través de interruptores, S₂ and S₃. Esto "equilibra" la carga en C ₁. Los conteos de medidas se generan cada vez que S₅ se conecta a V_R. De hecho, para medidas de mayor resolución (tiempos de integración más largos), la mayoría de los conteos se generan durante esta fase de t_apertura. Al final de la fase de equilibrio de carga, se aplica una corriente de referencia de precisión al integrador, como se hace en el caso del convertidor de doble pendiente. Por lo tanto, el integrador disminuye hasta que cruza cero. La medida se calcula a partir de los conteos acumulados durante la integración y se suma a los conteos acumulados durante la disminución. Los fabricantes utilizan dos o más referencias de disminución, lo que da como resultado disminuciones rápidas para optimizar la velocidad y luego "pendientes finales" más lentas para mayor precisión.

Aunque usted puede mejorar en gran medida los problemas de absorción dieléctrica de su capacitor integrador con A/D de equilibrio de carga con disminución, tiene beneficios de rendimiento similares a los del convertidor de doble pendiente. (De hecho, algunos convertidores de doble pendiente utilizan varias pendientes de disminución). La velocidad mejora considerablemente porque la cantidad de conteos generados durante la fase de equilibrio de carga reduce la importancia de cualquier error de disminución, por lo que la disminución puede ser mucho más rápida. Sin embargo, todavía hay un tiempo muerto importante si realiza varias medidas o si digitaliza una señal causado por desarmar y rearmar el integrador.

Este tipo de ADC, en uso comercial desde los años 70, ha evolucionado significativamente. Las primeras versiones usaban un modulador similar al de un convertidor de voltaje a frecuencia. Sufrieron problemas de linealidad provocados por efectos parásitos dependientes de la frecuencia y, por consiguiente, estaban limitados en la velocidad de conversión. A mediados de los años 80, la técnica se perfeccionó para incorporar un modulador de "frecuencia constante", que todavía se utiliza mucho en la actualidad. Esto mejoró drásticamente el rendimiento final y la capacidad de fabricación de estos convertidores.

Tecnología de convertidor sigma-delta

Los convertidores sigma-delta, o ADCs de modelado de ruido, tienen raíces históricas en las telecomunicaciones. Hoy en día, la técnica se utiliza en su gran mayoría como base para los bloques de construcción A/D disponibles comercialmente y producidos por varios fabricantes. Se ha producido una evolución significativa en este campo durante la última década (a causa de una creciente necesidad de conversión de alto rango dinámico en audio y telecomunicaciones), y todavía hay mucha investigación en curso. Algunos DMMs modulares (PXI(e), PCI(e) y VXI), hoy en día utilizan ADCs sigma-delta en el corazón del motor de adquisición. También se utilizan comúnmente para digitalizar señales para:

• Análisis de señales dinámicas (DSA)
• Audio y voz comercial y de consumo
• Parámetros físicos como vibración, tensión y temperatura, donde digitalizar ancho de banda moderado es suficiente

En la figura 3 se muestra un diagrama básico de un convertidor sigma-delta.

Figura 3. Diagrama de bloques del convertidor sigma-delta

Los componentes básicos de un convertidor sigma-delta son el integrador o integradores, ADC y DAC (convertidor digital a analógico) de un bit y el filtro digital. Usted puede realizar el modelado del ruido combinando las etapas del integrador y el diseño del filtro digital. Usted tiene numerosas técnicas para implementar estos bloques. Existen distintas filosofías con respecto al número óptimo de etapas del integrador, el número de etapas del filtro digital, el número de bits en los convertidores A/D y D/A, etc. Sin embargo, los componentes básicos operativos siguen siendo básicamente los mismos. Un modulador que consta de un ciclo de retroalimentación de equilibrio de carga de un bit es similar al descrito anteriormente. El ADC de un bit, por su precisión y monotonicidad inherentes, abre el camino hacia una muy buena linealidad.

El uso de los convertidores sigma-delta disponibles comercialmente tiene muchas ventajas:

• Son bastante lineales y ofrecen una buena no-linealidad diferencial (DNL)
• Usted puede controlar el ruido de la señal de manera muy efectiva
• Son inherentemente de auto-muestreo y rastreo (no se requieren circuitos de muestreo y retención)
• Generalmente tienen un bajo costo

Sin embargo, existen algunas limitaciones en el uso de ADCs sigma-delta en DMMs de alta resolución:

• Limitaciones de velocidad, especialmente en aplicaciones de escaneo, debido a demoras en los ductos a través del filtro digital
• Aunque generalmente es lineal y de bajo ruido, las especificaciones del fabricante limitan la precisión a 5½ dígitos (19 bits)
• Los "tonos" de modulación pueden crear un alias en el pasobanda, creando problemas a altas resoluciones
• Control limitado sobre los intercambios entre velocidad y ruido, tiempo de adquisición, etc.

El FlexADC es la columna vertebral de la familia NI FlexDMM (PXIe-4080, PXIe-4081, PXIe-4082). El FlexADC proporciona el ruido, la linealidad, la velocidad y la flexibilidad necesarios para lograr medidas de alta precisión y alta velocidad. El FlexADC, que se muestra en la Figura 4, se basa en una combinación de tecnología ADC comercial y de alta velocidad y un convertidor sigma-delta de diseño personalizado. Esta combinación optimiza la linealidad y el ruido para obtener una precisión y estabilidad de hasta 7½ dígitos y ofrece velocidades de muestreo del digitalizador de hasta 1.8 MS/s.

Figura 4. Convertidor FlexADC

El diagrama de bloques de la figura 4 muestra un modelo simplificado de cómo funciona el FlexADC. A bajas velocidades, el circuito explota las ventajas del convertidor sigma-delta. El DAC de retroalimentación está diseñado para ruido extremadamente bajo y una linealidad excepcional. El filtro paso bajo proporciona el modelado de ruido necesario para un rendimiento eficaz en todas las resoluciones. No se necesita una disminución porque el modulador de 1.8 MS/s de ultra alta precisión proporciona una conversión de resolución extremadamente alta sin él. A altas velocidades, el modulador de 1.8 MS/s se combina con el ADC de muestreo rápido para proporcionar una digitalización de muestreo continua. El procesador de señal digital (DSP) proporciona secuencias en tiempo real, calibración, linealización, cómputo de AC true-rms, valor eficaz de CA, diezmado, así como el filtrado de ruido utilizado para las funciones de DC.

El FlexADC tiene varias ventajas:

• La arquitectura única del FlexDMM ofrece una velocidad de lectura continuamente variable de 7 S/s a 7½ dígitos a 10 kS/s a 4½ dígitos, como se muestra en la figura 5.
• Usted puede operar el FlexADC como un digitalizador con una frecuencia de muestreo de hasta 1.8 MS/s.
• Debido al modulador sigma-delta personalizado, el modelado de ruido y el filtrado digital se han optimizado para su uso en aplicaciones de digitalizador y DMM.
• A diferencia de otras técnicas de conversión de ADC, no es necesario encender y apagar la señal de entrada. Por lo tanto, usted puede lograr una adquisición de señal continua y contigua.
• Puede lograr la conversión ACV directa y la calibración de respuesta de frecuencia sin el uso de un convertidor analógico Trms AC convencional y "recortadores" analógicos para la corrección de planitud.
• Puede reducir drásticamente el ruido de la señal de entrada en todas las funciones con los algoritmos de modelado de ruido apropiados (consulte rechazo de ruido de DC).
• Puede implementar funciones avanzadas y basadas en host con el software NI LabVIEW una vez que digitaliza las señales, lo que lleva a una lista casi interminable de opciones de caracterización de señales (transformada rápida de Fourier, cálculo de impedancias, factor pico de AC, pico, promedio de AC, etc.).

Figura 5. Velocidades de lectura de DC de FlexDMM

La tabla 2 compara las cuatro arquitecturas de ADC.

Tabla 2. Comparación de la arquitectura ADC

Todos los FlexDMM cuentan con algunas de las referencias internas más estables disponibles. Como referencia de voltaje, el FlexDMM utiliza una referencia estabilizada técnicamente muy conocida que proporciona un rendimiento inigualable en el mercado. El resultado es un coeficiente máximo de temperatura de referencia inferior a 0.3 ppm/ºC. La estabilidad del tiempo de este dispositivo es del orden de 8 ppm/año. Ningún otro DMM en este rango de precios ofrece esta fuente de referencia y la estabilidad que le acompaña. Es por eso que el FlexDMM ofrece una garantía de precisión de dos años.

Las funciones de resistencia se refieren a un solo resistor de lámina metálica altamente estabilizada de 10 kΩ y diseñada originalmente para aplicaciones aeroespaciales exigentes. Este componente tiene un coeficiente de temperatura inferior a 0.8 ppm/ºC garantizado y una estabilidad en el tiempo inferior a 25 ppm/año.

Acondicionamiento de señales de entrada de estado sólido

Una fuente importante de error en las medidas en la mayoría de los DMMs tradicionales es la conmutación de relés electromecánicos. Los desfases de voltaje térmico inducidos por contacto pueden causar inestabilidad y derivación. Los dispositivos FlexDMM eliminan todos, menos un relé en la ruta de DCV, ACV y resistencia. Una configuración especial de contacto-relé cancela los errores térmicos en este único relé. Este relé se activa únicamente durante la auto-calibración. Toda la conmutación relacionada con las medidas para el cambio de rango y función se realiza con conmutación de estado sólido altamente confiable y poco térmica. Por lo tanto, se eliminan por completo las fallas por desgaste de los relés electromecánicos. La figura 6 muestra un rendimiento de derivación durante la noche del rango más sensible, el rango de 100 mV. Cada división es de 500 nV. A modo de comparación, en la figura 6 se muestra la misma medida realizada bajo condiciones idénticas con un DMM tradicional de 6½ dígitos y un DMM de 8½ dígitos de rack completo.

Figura 6. Curva que muestra la estabilidad del rango FlexDMM (inferior) de 100 mV con entrada en cortocircuito, en comparación con un DMM tradicional (superior): 500 nV/división

Linealidad

La linealidad es una medida de la "calidad" de una función de transferencia del DMM. En las aplicaciones de caracterización de componentes de conversión, es importante ofrecer un rendimiento de DNL e INL (no linealidad integral) sustancialmente mejor que el disponible en los ADCs comerciales. El FlexADC está diseñado para una excelente linealidad, DNL e INL. La linealidad también es importante porque determina la repetibilidad de la función de auto-calibración. La figura 7 muestra una gráfica de linealidad FlexDMM típica, medida en el rango de 10 V de -10 a +10 V.

Figura 7. Linealidad del rango de 10 VDC

Los DMMs tradicionales de 6½ y 7½ dígitos se calibran a una temperatura particular, y esta calibración se caracteriza y especifica en un rango de temperatura limitado, generalmente ±5 ºC (o incluso ±1 ºC en algunos casos). Por lo tanto, siempre que el DMM se utilice fuera de este rango de temperatura, sus especificaciones de precisión deben reducirse según un coeficiente de temperatura, generalmente del orden del 10% de la especificación de precisión/°C. Entonces, a 10 ºC fuera de este rango especificado, es posible que usted tenga el doble del error de medida especificado, lo que puede ser una preocupación grave cuando la precisión absoluta es importante.

Si las variaciones de temperatura exceden estos límites y se requieren especificaciones estrictas, entonces también se requiere una recalibración a la nueva temperatura. Tome, por ejemplo, el rango de 10 VDC en los DMMs tradicionales de 7½ dígitos. Un DMM puede tener una precisión de:

Precisión de dos años: (12 ppm de lectura + 0.5 ppm de rango) para T = ±5 ºC de T_selfcal

Con esta especificación, si usted aplica 5 V a la entrada programada para leer un rango de 10 V, el error es:

12 ppm de 5 V + 0.5 ppm de 10 V = 10 µV, para el rango de temperatura determinado por la temperatura en la última auto-calibración.

Garantizar la precisión a nivel de PPM

Para mitigar los errores causados por estos efectos, todos los dispositivos FlexDMM incorporan una función de auto-calibración patentada para corriente directa de voltios (VDC), resistencia, diodo y modo de digitalizador. Esta función es importante por las siguientes razones:

1. La función de auto-calibración corrige todos los errores de desfase y ganancia de la ruta de la señal dentro del DMM de regreso a la referencia de voltaje interno de precisión y alta estabilidad descrita anteriormente.

2. La auto-calibración representa todos los errores de desfase, ganancia y fuente de corriente de resistencia. En resistencia, todos los errores se corrigen en el único resistor interno de precisión de 10 kW.

3. La auto-calibración tarda un minuto y recalibra completamente todos los rangos de voltaje, resistencia y funciones del digitalizador. En los DMMs tradicionales, se requieren más de 10 minutos para realizar esta función.

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

tempco = (0.3 ppm de lectura + 0.01 ppm de rango)/ºC, entonces el error adicional es:

22 ºC x tempco = (6.6 ppm de lectura + 0.22 ppm de rango) o 35,2 µV de incertidumbre total. Este error a una temperatura ambiente de 50 ºC es casi cuatro veces peor que la precisión de un año especificada.

Esto representa una enorme mejora en la precisión en todo el rango de temperatura de operación del FlexDMM. La tabla 3 resume estos resultados.

Tabla 3. Resumen del ejemplo: análisis de incertidumbre, midiendo 5 V en un rango de 10 V

Tenga en cuenta que usar el FlexDMM con auto-calibración proporciona una precisión a 50 ºC, que es más de siete veces mejor que los métodos tradicionales. La tabla 4 compara la auto-calibración con la calibración tradicional de "fábrica".

Tabla 4. Comparación de la calibración

No se hizo ningún compromiso al ofrecer una función de voltaje de DC y AC de clase metrológica de alta estabilidad. Varios factores contribuyen a que el FlexDMM logre este rendimiento:

• La disponibilidad y la calidad de los componentes miniatura de precisión de montaje en superficie y alto rendimiento han mejorado drásticamente en los últimos 10 años.
• El paquete electrónico más pequeño y perfectamente dispuesto mejora el rendimiento, especialmente el rastreo térmico entre los componentes de precisión.
• El uso del FlexADC y DSP para el cálculo de ACV y la calibración de la respuesta de frecuencia simplifican el acondicionamiento de la señal de entrada en una ruta común, lo que reduce los componentes, la complejidad y la conmutación.
• La falta de un interruptor "frontal-trasero" (común en los DMM tradicionales) simplifica el diseño de entrada, reduce la resistencia crítica de la ruta de la señal del circuito y mejora la integridad de la señal.
• La fuente de alimentación, un componente común en un chasis de sistema PXI, no ocupa espacio en el módulo de medidas

Arquitectura de alto voltaje

Con el NI PXI-4071, puede medir 1000 VDC y 700 VAC Trms en niveles de CAT I. Para medir con precisión 1000 V en un módulo PXI ultra-pequeño, debe considerar el desglose de componentes, el espaciado de voltaje, los diseños del atenuador y las limitaciones de disipación de energía en el circuito frontal.

Un solo atenuador de entrada de 10 MΩ

Tradicionalmente, los DMMs usan atenuadores de 1 MΩ y 10 MΩ en sus circuitos de acondicionamiento de señales frontales. Un atenuador de 1 MΩ, cuando se utiliza para proporcionar el acondicionamiento de señales para una señal de 700 VAC, disipa más de 0.5 W. Este es un requisito difícil para un componente de precisión en miniatura. Controlar los errores inducidos por el coeficiente de temperatura es un desafío, incluso para un componente físicamente grande. Por consiguiente, se requiere eliminar la necesidad del atenuador de 1 MΩ. Otra razón importante por la que se utilizan atenuadores de 1 MΩ en los DMMs tradicionales es el amplio ancho de banda de AC. Los diseños tradicionales de atenuadores de 10 MΩ no pueden alcanzar el mismo nivel de ancho de banda de AC que logran los diseños de atenuadores de 1 MΩ.

El PXIe-4081 FlexDMM incorpora un innovador diseño de bootstrap escalado para anular la capacitancia del atenuador que tradicionalmente impide el rendimiento de amplio ancho de banda. Este bootstrap, que se muestra en la Figura 8, está diseñado y dispuesto cuidadosamente para minimizar la capacitancia que se carga en el tramo del atenuador de 100 kΩ de RN de la red del atenuador de entrada. Con la adición del bootstrap escalado Y formado por R1-R4, C1 y U1, se asegura una respuesta de paso plana. Lo más importante, la respuesta característica lograda es muy similar a la de un RC de un solo polo, lo cual es importante para el digitalizador y la respuesta de paso de DC.

Figura 8. PXI-4071 bootstrap escalado

En segundo lugar, el PXIe-4081 utiliza la corrección de uniformidad digital AC DSP para compensar la uniformidad del atenuador residual sin el uso de capacitores de compensación. Estas dos técnicas de compensación brindan una mejora en el orden de magnitud sobre lo que sería posible con el requisito de que el atenuador sea capaz de pasar señales de digitalizador, DC de precisión y AC_rms.

Desglose de componentes y espaciado de voltaje

Uno de los enemigos más abrumadores para las medidas de alto voltaje es la falla del interruptor de selección de rango (relé). Tradicionalmente, los DMMs utilizan relés de alto voltaje. La conmutación de relés de alto voltaje y la alta fiabilidad no son fáciles de lograr juntas en ningún paquete, y mucho menos en uno miniatura.

Para cumplir con estos dos requisitos, el PXIe-4081 implementa un novedoso dispositivo de estado sólido para la selección de rango capaz de soportar más de 1000 V en estado apagado. Este dispositivo no tiene ninguno de los problemas de fiabilidad tradicionales de los relés electromecánicos porque no hay contactos que se dañen por la conmutación de alto voltaje y no hay limitaciones de vida útil de los contactos. El beneficio secundario del acondicionamiento de la señal de entrada de estado sólido es un excelente rendimiento térmico de DC de bajo nivel, una combinación sin precedentes en cualquier DMM de 1000 V actualmente disponible por menos de $5,000 USD.

Al pasar a la conmutación de estado sólido de alto voltaje, eliminando la necesidad de un divisor de 1 MOhm y usando DSP para eliminar los componentes de calibración, usted puede cumplir con los requisitos de espaciado de voltaje con una mayor disponibilidad de superficie de la tarjeta y área. Ahora usted puede ajustar el diseño para cumplir con los requisitos de CAT I para la instrumentación PXI de 1000 V.

Rechazo de ruido de DC

El rechazo de ruido de DC es una función exclusiva de NI disponible para medidas de DC en todos los dispositivos FlexDMM. Cada lectura de DC devuelta por el FlexDMM es en realidad el resultado matemático de múltiples muestreos de alta velocidad. Al ajustar la ponderación relativa de esos muestreos, puede ajustar la sensibilidad a diferentes frecuencias de interferencia. Hay tres ponderación diferentes disponibles: normal, de segundo orden y de alto orden.

Normal

Cuando usted selecciona el rechazo de ruido de DC normal, todas los muestreos se valoran por igual. Este proceso emula el comportamiento de la mayoría de los DMM tradicionales, proporcionando un buen rechazo de frecuencias en múltiplos de f₀ donde f₀ = 1/t_apertura, el tiempo de apertura seleccionado para la medida. La figura 9 ilustra la valoración normal y el rechazo de ruido resultante en función de la frecuencia. Observe que solo se obtiene un buen rechazo en múltiplos muy cercanos de f₀.

Figura 9. Rechazo de ruido de DC normal

Segundo orden

El rechazo de ruido de DC de segundo orden aplica una ponderación triangular a los muestreos de medida, como se muestra en la Figura 10. Observe que se obtiene un muy buen rechazo cerca de los múltiplos pares de f₀ y que el rechazo aumenta más rápidamente con la frecuencia que con la ponderación normal del muestreo. Observe también que los huecos de respuesta son más anchos que con ponderación normal, lo que resulta en una menor sensibilidad a ligeras variaciones en la frecuencia del ruido. Puede usar el rechazo de ruido de DC de segundo orden si necesita un mejor rechazo de ruido de la línea de alimentación que el que puede obtener con el rechazo de ruido de DC normal, pero no puede darse el lujo de muestrear lo suficientemente lento como para aprovechar el rechazo de ruido de alto orden. Por ejemplo, puede establecer la apertura en 33.333 ms para una frecuencia de línea eléctrica de 60 Hz.

Figura 10. Rechazo de ruido de DC de segundo orden

Alto orden

La figura 11 ilustra la ponderación de muestreos de alto orden y su rechazo de ruido resultante en función de la frecuencia. Tenga en cuenta que el rechazo de ruido es bueno a partir de 4f₀ y es excelente por encima de 4.5f₀. Con el rechazo de ruido de DC de alto orden, casi no se logra sensibilidad al ruido en ninguna frecuencia superior a 4.6f₀. Un FlexDMM que utiliza un rechazo de ruido de DC de alto orden con una apertura de 100 ms (10 lecturas/s) puede ofrecer una precisión total de 6½ dígitos con más de 1 V de ruido de línea de alimentación que interfiere en el rango de 10 V a cualquier frecuencia superior a 46 Hz. Este es el equivalente a >110 dB de rechazo de modo normal, insensible a variaciones en la frecuencia de la línea de alimentación.

Figura 11. Rechazo de ruido de DC de alto orden

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

Tabla 5. Configuraciones del rechazo de ruido de DC

Medidas de voltaje AC

Las señales de AC generalmente se caracterizan por su amplitud rms, que es una medida de su energía total. RMS representa la raíz cuadrada media; para calcular el valor rms de una forma de onda, debe sacar la raíz cuadrada del valor medio del cuadrado del nivel de la señal. Aunque la mayoría de los DMM realizan este procesamiento de señal no lineal en el dominio analógico, el FlexDMM utiliza un DSP interno para calcular el valor rms a partir de muestreos digitalizados de la forma de onda de AC. El resultado son lecturas de AC silenciosas, precisas y de rápida estabilización. El algoritmo digital rechaza automáticamente el componente de DC de la señal, lo que permite evitar el condensador de entrada de asentamiento lento. Para medir pequeños voltajes de AC en presencia de grandes compensaciones de DC, como la ondulación en una fuente de alimentación de DC, el FlexDMM ofrece el modo de voltios de AC estándar, en el que el capacitor de acoplamiento elimina el desfase y el FlexDMM utiliza el rango más sensible.

El algoritmo rms utilizado por FlexDMM requiere solo cuatro períodos (ciclos) de la forma de onda para obtener una lectura silenciosa. Por ejemplo, requiere una apertura de medida de 4 ms para medir con precisión una onda sinusoidal de 1 kHz. La ventaja de esta técnica se extiende al rendimiento del sistema. Con los DMMs tradicionales, es necesario esperar a que se estabilice un convertidor Trms analógico antes de realizar una medida. Con el FlexDMM, no hay que estabilizar ningún Trms . El resultado son velocidades de lectura de AC más rápidas y esta ventaja se realiza en sistemas con conmutación.

El enfoque digital para el cálculo rms también ofrece beneficios de precisión. El algoritmo es completamente insensible al factor de pico y puede ofrecer lecturas excepcionalmente silenciosas y estables. El FlexDMM garantiza una precisión de AC de hasta el 1% de la escala completa, en lugar del 10% de la escala completa que ofrecen los DMMs tradicionales, y se pueden obtener lecturas utilizables incluso por debajo del 0.1% de la escala completa.

Ampliar el rango dinámico de medidas de corriente del DMM es un requisito para satisfacer la creciente demanda de los clientes. Por un lado, es posible que usted deba monitorear el rendimiento de la carga de la batería, el circuito o el dispositivo electromecánico. Los dispositivos electrónicos de hoy en día requieren mayor potencia. Por lo tanto, es cada vez mayor la necesidad de probar o caracterizar estos dispositivos a niveles superiores a 1 A. Por otro lado, muchas aplicaciones de hoy en día, como las características de "apagado" de los dispositivos semiconductores, pueden tener niveles de microamperios o nanoamperios.

El PXIe-4081 cubre ambas necesidades al implementar una nueva configuración de medidas de corriente de estado sólido que proporciona ocho rangos de corriente de DC de 1 µA a 3 A y seis rangos de corriente de AC_rms de 100 µA a 3 A. El rango de 1 µA ofrece una sensibilidad de hasta 1 pA o 10^-12 A. Proporcionar ambos extremos requiere un enfoque de diseño de circuito único. Históricamente, los desafíos de protección contra sobrecargas de corriente o alto voltaje y la medida de baja fuga han sido mutuamente excluyentes. El FlexDMM implementa un enfoque de diseño único, representado en la figura 12. Esta figura muy simplificada, muestra tres de los cinco rangos de corriente utilizados en el PXI-4071.

Figura 12. Acondicionamiento simplificado de señales de corriente PXI-4071

Usar dispositivos de estado sólido para la selección del rango de corriente logra una mayor fiabilidad y una mejor protección en un espacio físico pequeño. Además, dos de los dispositivos de selección de rango de corriente, Q3 y Q4, entran en juego durante las sobrecargas, protegiendo así los resistores de detección de corriente de alta estabilidad y brindando robustez para las aplicaciones más exigentes.

El PXIe-4081 FlexDMM también tiene la capacidad de adquirir formas de onda acopladas en DC de hasta 1000 VDC y 700 VAC (1000 V_p ) de entrada a una velocidad de muestreo máxima de 1.8 MS/s. Puede variar la resolución del digitalizador de 10 a 26 bits simplemente cambiando la velocidad de muestreo. Con la capacidad del digitalizador aislado, FlexDMM puede minimizar el costo general del sistema de pruebas eliminando la necesidad de comprar un digitalizador por separado y reducir el tamaño del dispositivo de pruebas y los costos de mantenimiento.

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

Por ejemplo, una aplicación común en la industria automotriz son las medidas del voltaje de retorno en una bobina de arranque. La bobina de arranque, que crea los altos voltajes utilizados para impulsar las bujías en el motor, se compone de una bobina primaria y una bobina secundaria. La bobina secundaria por lo general tiene muchas más vueltas de cable que la bobina primaria porque la relación de vueltas multiplicada por el voltaje aplicado a la bobina primaria determina el voltaje de salida. Cuando la corriente se desconecta repentinamente, el colapso del campo magnético induce un gran voltaje (+20,000 V) en la bobina secundaria. Este voltaje luego es enviado a las bujías.

Debido a que los voltajes son tan altos en la bobina secundaria, las pruebas son realizadas en la bobina primaria. La forma de onda de retorno suele ser del orden de 10 µs con un voltaje máximo de 40 a 400 V, dependiendo de la bobina de arranque. Las medidas comunes que se realizan en esta forma de onda son el voltaje máximo de disparo, el tiempo de pausa y el tiempo de combustión. Usando la capacidad del digitalizador FlexDMM y las funciones de análisis de LabVIEW, usted puede construir un sistema de medidas de voltaje de retorno.

Beneficios de un digitalizador aislado

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

• Mejor rechazo: el aislamiento aumenta la capacidad del sistema de medidas para rechazar voltajes de modo común. El voltaje de modo común es la señal que está presente o es "común" tanto para la entrada positiva como para la negativa de un dispositivo de medidas, pero que no forma parte de la señal que se va a medir. Por ejemplo, los voltajes de modo común suelen ser de varios cientos de voltios en una celda de combustible.
• Mejor seguridad: el aislamiento crea una barrera de aislamiento para que pueda realizar medidas flotantes mientras está protegido contra grandes picos de voltaje transitorios. Un circuito de medidas adecuadamente aislado generalmente puede soportar picos superiores a 2 kV.
• Mejor precisión: el aislamiento mejora la precisión de la medida al evitar físicamente los ciclos a tierra. Los ciclos a tierra, una fuente común de error y ruido, son el resultado de un sistema de medidas que tiene múltiples tierras a diferentes potenciales.

El FlexDMM tiene un conjunto completo de funciones de medidas de resistencia. Ofrece capacidad de medidas de resistencia de 2 y 4 hilos. La técnica de 4 hilos se utiliza cuando los cables de prueba largos y la conmutación dan como resultado compensaciones de resistencia de los conductores de prueba que dificultan las medidas de baja resistencia. Sin embargo, hay situaciones en las que los voltajes de desfase introducen errores significativos.

Ohms con desfase compensado
Para estas situaciones, el FlexDMM proporciona medidas de resistencia compensadas con desfase, que son insensibles a los voltajes de desfase que se encuentran en muchas aplicaciones de medidas de resistencia:

1. Sistemas de conmutación que utilizan relés Reed no compensados (los relés Reed no compensados pueden tener voltajes de desfase superiores a 10 µV causados por el material de plomo Kovar utilizado en el sello de vidrio del dispositivo)
2. Las medidas de resistencia en el circuito (por ejemplo, la resistencia de los conductores de la fuente de alimentación se mide mientras el circuito bajo prueba tiene potencia aplicada)
3. Medir la resistencia de la fuente de las baterías, la resistencia dinámica de los diodos con polarización directa, etc.

En el Caso 1 anterior, por lo general se construye un sistema de pruebas con conmutación optimizada para tareas distintas a las medidas de resistencia. Por ejemplo, los relés Reed son comunes en los sistemas de pruebas de RF debido a sus características de impedancia predecibles y alta fiabilidad. En un sistema de este tipo, es posible que usted también desee medir las resistencias de las unidades bajo prueba, y es posible que los relés Reed ya existan en el sistema.

En el Caso 2, un ejemplo sería medir la resistencia de un cable de bus de fuente de alimentación con la energía encendida. (Nota: Debe tener extremo cuidado al realizar estas pruebas). Suponiendo que la resistencia está en el rango de 10 mΩ. Si 100 mA fluyen a través de esta resistencia, la caída de voltaje es:

Un multímetro digital sin desfase de compensación en el rango 100 interpreta esto como 1 Ω porque piensa que este voltaje lo ha generado su fuente de corriente interna de 1 mA que pasa a través del cable que está midiendo. No puede notar la diferencia. Con el FlexDMM y los Ohms con desfase compensado habilitados, el desfase de 1 mV se distingue y se rechaza, y se devuelve el valor correcto de resistencia. 

Figura 13. Primer ciclo con corriente ON             Figura 14. Segundo ciclo con corriente OFF

Esta medida involucra dos ciclos. Uno se mide con la fuente de corriente encendida, como se muestra en la Figura 13. El segundo se mide con la fuente de corriente apagada, como se muestra en la Figura 14. El resultado neto es la diferencia entre las dos medidas. Debido a que el voltaje de desfase está presente en ambos ciclos, se resta y no entra en el cálculo de la resistencia, como se muestra a continuación.

V_OCO = V_M1 - V_M2 = (I_SR_X + V_TÉRMICA) - V_TÉRMICA = I_SR_X

por lo tanto,

R_X = V_OCO/I_S

NI desarrolló el PXI-4081 FlexDMM 3U de alto rendimiento y una sola ranura en base a su tecnología FlexADC. Muchas de las funciones analógicas tradicionalmente propensas a errores de los DMMs convencionales han sido reemplazadas por el uso de un digitalizador de alta velocidad disponible comercialmente, tecnología DSP y la potencia de la PC host. La auto-calibración proporciona una precisión óptima en todo el rango de temperatura de operación de 0 a 55 ºC con un ciclo de calibración de dos años. Combinado con elementos de referencia integrados y altamente estables, el resultado es el DMM PXI más rápido y preciso del mundo, con características inigualables y un rendimiento que compite y supera al de la mayoría de los DMMs tradicionales.