Sistema di acquisizione e distribuzione dati - Tesina per istituto tecnico industriale

CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO

I circuiti di condizionamento hanno il compito di elaborare il segnale prodotto dai trasduttori per

adattarlo alle caratteristiche dei circuiti successivi della catena di acquisizione. Questi circuiti

assicurano un buon trasferimento dei segnali provenienti dai trasduttori al convertitore ed elimina i

disturbi ad esso associati.

AMPLIFICATORI

L'amplificatore è un dispositivo che usa una piccola quantità di energia per avere in uscita una

quantità più grande.

Siccome i segnali forniti dai trasduttori sono in genere di ampiezza modesta bisogna amplificare I

segnali per essere poi convertiti

Gli amplificatori servono per convertire un segnale di corrente in un segnale di tensione, per traslare

il livello, cioè sommargli un offset positivo o negativo, per rilevare le variazioni di un segnale

oppure il suo valor medio.

AMPLIFICATORE DI CONDIZIONAMENTO

Gli amplificatori di condizionamento amplificano con elevata precisione i segnali, forniscono in

certi casi l’eccitazione per i sensori e generano in uscita un segnale in tensione o in corrente,

analogico o digitale, adatto a essere elaborato dal sistema di controllo.

Condizionatore del segnale LVDT AD598

L’integrato AD598 contiene un oscillatore in grado di generare un’onda sinusoidale a bassa

distorsione. L’onda, rafforzata da un amplificatore, è adatta a pilotare il primario dell’LVDT.

Le due tensioni V e V , prelevate dai secondari del trasformatore, sono inviate agli ingressi 11, 10

A B

dell’integrato.

Il segnale differenziale V -V è proporzionale alla posizione del nucleo del trasduttore rispetto agli

A B

avvolgimenti.

Il decodificatore ricava il rapporto fra la differenza A-B e la somma A+B dei due segnali.

Il raddrizzamento e il filtraggio del segnale consentono di ottenere una tensione continua, stabile

alle variazioni della frequenza dell’eccitazione e proporzionale al segnale e quindi alla posizione del

nucleo.

FILTRI ATTIVI

I filtri attivi sono costituiti da amplificatori operazionali e da componenti passivi RC e per la loro

realizzazione non sono necessarie induttanze. Presentano alta impedenza di ingresso e bassa

impedenza d'uscita.

I filtri attivi contengono generalmente filtri universali o filtri a capacità commutata.

Filtri universali

La struttura del filtro universale premette di avere sulle tre uscite un filtraggio di tipo passa-alto

(HP), passa-banda (BP) e passa-basso (LP).

Un esempio può essere il filtro universale LTC 1565.

LTC 1565

Questo integrato contiene 4 sezioni

identiche, ciascuna costituita da filtri del 2°

ordine con range della frequenza centrale f 0

da 10 kHz a 150 kHz.

Ciascuna sezione è costituita da un

sommatore-integratore di ingresso collegato

in cascata con un integratore. L’ingresso

INV è il nodo sommatore posto posto a

massa virtuale, in cui confluiscono la

resistenza di ingresso R e quelle collegate

IN

agli altri due terminali V e V ; queste sono

1 2

le uscite rispettivamente di un filtro passa-

banda (BP), e di un filtro passa-basso (LP).

Sostituendo R con una capacità, V diviene

IN 1

l’uscita di un filtro passa-alto (HP) e V di

2

un filtro passa-banda (BP).

MULTIPLEXER ANALOGICO (AMUX)

Le tecniche di multiplazione servono nei casi in cui abbiamo più segnali che dovranno essere

acquisiti da un unico sistema di elaborazione o di trasmissione.

Questa è una tecnica che si basa sull'uso del multiplexer analogico, che è un dispositivo capace di

selezionare un singolo segnale elettrico fra I diversi segnali in ingresso in base al valore degli

ingressi di selezione.

Questo circuito è come un commutatore unipolare a più vie, in cui il polo comune è connesso

all'ingresso di un buffer con elevata impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita.

Gli interruttori analogici S0, S1, S2, S3, realizzati a JFET, MOSFET o CMOS, vengono chiusi uno

alla volta collegando il rispettivo ingresso analogico all'ingresso dell'operazionale.

Un circuito logico provvede a decodificare gli indirizzi (A1, A0) provenienti dall'unità di controllo e

temporizzazione e a selezionare l'ingresso analogico desiderato chiudendo l'interruttore

corrispondente.

I CIRCUITI SAMPLE AND HOLD (S/H)

L’amplificatore Sample and Hold ha la funzione di campionare un segnale analogico e di mantenere

il valore campionato per un certo intervallo di tempo.

L’elemento di memoria è costituito da un condensatore, caricato alla tensione campionata.

Questo dispositivo viene utilizzato nei sistemi di conversione digitale per acquisire il valore di un

segnale analogico e conservarlo fino al completamento della conversione.

Oltre ai Sample and Hold, esistono anche i Track and Hold (T/H), nei quali cambia il tempo di

campionamento. Mentre per il S/H sono previste una fase di campionamento brevissima e una più

lunga fase di mantenimento, viceversa per il T/H richiede maggior tempo per il campionamento e

mantiene il segnale analogico solo per il tempo necessario a una corretta conversione.

Struttura

Nel circuito S/H sono presenti i seguenti segnali, di ingresso V , di uscita V e di controllo V .

A O C

Durante il campionamento il segnale di controllo V è a 1 logico e chiude l’interruttore analogico

C

consentendo al condensatore C di caricarsi al valore di V .

A

Quando V scende a 0, l’interruttore si apre isolando il condensatore dal circuito di ingresso; C resta

C

carico al valore campionato per un tempo idealmente infinito, data l’elevata resistenza di ingresso

del secondo buffer e dell’interruttore aperto.

Tutto ciò permette al convertitore ADC di operare la trasformazione mantenendo fisso il segnale da

convertire.

Parametri

• Tempo di acquisizione: è il tempo richiesto affinché l’uscita raggiunga il valore finale dopo che è

stato dato il comando di campionamento

• Tempo di apertura: rappresenta il tempo che intercorre da quando viene dato il comando di hold

a quando l’interruttore si apre completamente.

• Decadimento: rappresenta la variazione della tensione di uscita durante la fase di hold.

• Segnale di controllo: riguarda il livello logico e la tensione necessari per portare in ON e in OFF

l’interruttore analogico.

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)

In fase di acquisizione è necessario impiegare dei dispositivi che convertano i segnali analogici in

forma digitale o numerica. Questo è possibile utilizzando dei convertitori analogico-digitali (ADC),

i quali forniscono in uscita stringhe di bit che rapresentano numeri proporzionali ai valori del

segnale analogico in ingresso. D'altra parte, i risultati delle elaborazioni, costituiti da informazioni

digitali, devono essere convertiti in forma analogica per interagire con il mondo esterno.

Quantizzazione

Con il processo di digitalizzazione dei segnali possiamo introdurre il concetto di quantizzazione.

Mentre un segnale analogico può assumere infiniti valori in un campo continuo, la sua

rappresentazione digitale può assumere soltanto un numero finito di valori discreti.

Gli infiniti valori del segnale analogico devono pertanto essere quantizzati ovvero raggruppati in un

certo numero di fasce delimitate da livelli fissi, detti livelli di quantizzazione; a ciascuna fascia di

valori analogici corrisponderà un valore digitale. La distanza fra due livelli di quantizzazione

contigui costituisceil passo di quantizzazione Q a cui corrisponde il valore del bit meno

significativo. Un dato digitale ad n bit può esprimere 2ⁿ valori; il valore digitale 2ⁿ viene associato

al valore di fondo scala (FS) della grandezza analogica. Di conseguenza il valore analogico

corrispondente al bit meno significativo sarà FS/ 2ⁿ.

Errore di quantizzazione

Ad esempio per tutti i valori di Va compresi fra 2,5 e 3,5 il valore binario corrispondente è 011, che

poi riconvertito fornirebbe Va'=3V. Pertanto l'errore ε che si commette nella quantizzazione è

sempre monore o uguale a ± 0,5 V, pari cioè al valore di ½LSB.

Risoluzione

In un ADC i valori digitali di uscita non riproducono dunque fedelmente il segnale di ingresso ma

ne danno una rappresentazione approssimata, tanto più precisa quanto minore è il passo di

quantizzazione Q, cioè quanto più numerosi sono I livelli di quantizzazione.

Sono comuni convertitori A/D con uscite a 8, 10, 12, 16 bit che consentono, rispettivamente,

8 10 12 16

2 =256, 2 =1024, 2 =4096, 2 =65636 livelli di quantizzazione.

Il numero di bit di uscita di un convertitore A/D viene chiamato risoluzione poichè indica qual è la

minima variazione del segnale di ingresso che può essere rivelata in uscita.

Campionamento

Un altro concetto importante della conversione A/D è il campionamento.

La conversione consiste nel prelevamento di un campione del segnale ad un dato istante e nella

determinazione del corrispondente valore digitale, che resterà fisso finchè non verrà prelevato un

altro campione per una nuova conversione. La frequenza con cui il segnale viene prelevato è detta

frequenza di campionamento, molto importante per la ricostruzione del segnale.

Il teorema di campionamento (teorema di Shannon), stabilisce che la frequenza di campionamento

deve essere maggiore o uguale al doppio di quella della componente di frequenza più elevata del

segnale in esame. fc ≥ 2f M

Per ricostruire fedelmente il segnale Va (t) occorrerà trattare il segnale campionato Va'(t) con un

filtro passa-basso la cui risposta sia piatta fino alla frequenza f e si annulli per una frequenza

M

minore o uguale a f -f . Siccome la frequenza di campionamento minima sia f 2f si preferisce

C M C= M

campionare a frequenza maggiore per rendere possibile il filtraggio in fase di ricostruzione.

Se infatti fosse f 2f , la risposta del filtro dovrebbe essere piatta fino a f=f per poi annullarsi

C= M M

sempre per f=f , questa è la risposta di un filtro ideale. Se invece f >2f la frequenza per la quale

M C M,

la risposta deve annullarsi è maggiore di f , il che rende possibile la realizzazione pratica del filtro.

M

CONVERTITORE A/D AD APPROSSIMAZIONI SUCCESSIVE

Il metodo di conversione ad approssimazioni successive è il più diffuso perchè ha un buon

compromesso fra la velocità di conversione e la risoluzione.

Esso si basa sullo stesso principio che viene utilizzato per determinare il peso di un oggetto con una

bilancia a due piatti.

Questo convertitore ha un'uscita a 4 bit.

Il segnale di ingresso Va viene comparato con i livelli di tensione genereti dal convertitore D/A.

Dopo aver applicato il comando di conversione (SOC), che azzera le uscite e inizializza il sistema,

il registro ad approssimazioni successive (SAR) si trova nello stato 1000. Questo dato viene

presentato all'ingresso del DAC che fornisce il primo livello analogico, pari a metà della tensione di

fondo scala del convertitore, da confrontare con il segnale Va.

Se Va>Va' l'uscita del comparatore è alta e il bit più significativo del SAR rimane alto.

Se viceversa Va<Va', l'uscita del comparatore è bassa e il bit più significativo del SAR si porta a 0.

Successivamente il secondo bit più significativo del SAR, in sincronismo con il clock, viene portato

a 1, cosicchè il dato presente sugli ingressi del DAC sarà 1100 oppure 0100 a seconda del risultato

del confronto precedente. Il secondo confronto porta a 0 o mantiene a 1 il secondo bit del SAR, a

seconda che Va risulti minore o maggiore di Va'. Con lo stesso procedimento vengono effettuati il

terzo e il quarto confronto.

Alla fine della conversione il dato digitale contenuto nel buffer di uscita è pronto e valido; il blocco

di temporizzazione segnala la fine della conversione e l'uscita può essere letta.

Il funzionamento si basa sull’utilizzo di un particolare circuito sequenziale denominato SAR.

Questo dispositivo genera una parola di codice che viene corretta, dopo il confronto tra il

campione Vi da convertire e la tensione VDAC in uscita dal DAC, fino a quando la differenza

risulta minore di un valore fissato.

CONVERTITORE DIGITALE-ANALOGICO

Il segnale che i µP sono in grado di elaborare è di tipo digitale ma per

comandare attuatori

di tipo analogico (motori) si rende necessario effettuare la conversione D/A.

L’operazione