Misure meccaniche - conversione A/D

3/12 Conversione Analogico-Digitale

t₁ | V₁ t_i | V_i t_n | V_n

i valori vengono espressi in bit

Determinazione di quanti secondi tra un misuro e l'altro

Identifica che acquisisce il segnale e lo digitalizza deve essere adeguato alla velocità di acquisizione

Convertitore Anal-Digit -> riceve segnale in tensione (Volt) e lo trasforma in bit (0 e 1) ->

Misura (analogico -> digitale) Controllo (digitale -> analogico)

Grandezza acquisita da "sensore" -> uscita -> un trasduttore ->

Tutta parte analogica e comprensibile economicamente

Fare la conversione digitale

Ogni strumento solitamente emette

1. Quantizzazione
2. Codifica A/D

Conversione Analogico-Digitale

t | V      i valori vengono espressi tramite

t₁ | V₁

t_i | V_i

t_n | V_n      bit

Determinazione di quanti secondi tra un misur

Identifico che acquisisce il segnale ed il digitalizz

deve essere adeguato alla velocità di acquisizi

Convertitore anal.-digit.) riceve segnale in ten

in bit (0 o 1), pes.      10 Questo operazione richiede temporieri

stabili ed ad alta velocità. Multi Bit consentono un maggiore dettaglio

Misura (analogico->digitale)

Acquisito da un trasduttore     

tutta la parte analogica e componentistica commercio,

Fase la conversione digitale:

Ogni strumento dall'onesto tramite un segnale analogico di tensione (0÷20A)

o di corrente (4-20 mA) che deve essere trasformati in una serie di

zeri e uno. Ad ogni Δt legge un valore di tensione che viene quantizzato

(esso uno stato discreto cioè costante un intervallo di tempo) successivamente

codificato cioè viene rappresentato con una stringa di 0 e 1 (codice binario)

1. Quantizzazione
2. Codifica

conversione A/D

Funzione di Trasferimento del Quantizzatore

Funzione che trasforma una lettura in volt - una stringa di codice binario.

Il numero di bit disponibili corrisponde alla risoluzione.

In modo di avere una rappresentazione più precisa (immagini &messaggi grafici = maggiore risoluzione).

Questo = _fonsod²ⁿ

Un segnale di tensione nel tempo:

Il principio è solamente maggiore risoluzione.

L'aggiunta aumenta la risoluzione.

Il segnale aumenta l'ampiezza.

Molte combinazioni di codici sono utilizzabili per la conversione A/D

Codice Gray

È costruito affinché ogni cifra differisca dalla precedente e dalla successiva

per un solo bit quando cambio la sezione doppia a cui riferirà

il cambiamento di una cifra alla volta minimizza gli errori

Detto anche codice riflesso per la simmetria tra le cifre

Binario Gray

• 0000 - 0000
• 0001 - 0001
• 0010 - 0011
• 0011 - 0010
• 0100 - 0110
• 0101 - 0111
• 0110 - 0101
• 0111 - 0100

Ogni bit Gray è costruito da destra a sinistra sostituendo alla cifra binaria lo

stesso sommato a quello alla sua sinistra

Es. Binario Gray

• 0010 - +0+1=1 -> 0010 - 0011
• 1+0=1 -> - - 11
• 0+0=0 -> - 011
• 0+0=0 -> 0011

In alcuni casi il range di tensione di tensione può variare tra valori negativi(es -5¸5 V) Per descrivere ciò vengono usati gli off set binario,ovvero il minor valore negativo è rappresentato dal codice con tutti zero (-5V ¸ 0000)

frequenza diCampionamento

Problema Aliasing

teorema del CampionamentoSe un segnale è continuo a banda limitata inferiori ad fe allora il segnale campionatoè campionalo ad una frequenza f_e >2f

… utilizzano un filtro passa-basso anti-aliasing automatico per frequenze superiori a: ₁/²f

- aumento fe (aumento costi)- filtro anti aliasing a mandato del convertitore

ideale composto costruiti da resistenza capacità reale e funzionano analogicamente redandato ha una zona di transizione

Filtri

strumenti da ridurre

I filtri possono essere realizzati

Filtro passivo di Strumenti: I ordine

Vi = i Ri + V2

Vn2 = ¹/_C ∫i dt, i = C ^dVn2/_dt

V₁ = Ri_edV₂/_dt + V₂   V₂(RCD + 1) = V₁

γ = RC

^V₂/_V1(iw) = ¹/_1+iRCiw

L’effetto di Carico

nel circuito finale vado a leggere la tensione nella

Resistenza di misura Rm deve essere maggiore affinché

la resistenza di carico sia piccola

segnale si modifichi

per effetti di carico

V₁ = V₂ + i₂R_i

i₂ = i₁ + i₂

V₂ = ^i₂/_ε C ∫ i₂ dt

V₂ = R_m ε₂

=> V₁ = V₂ + R_iC ^dV₂/_dt + R_m^V₁/_Rm

Se ^R_m/_R => ^Vi/_{R + Rm} = V₂ + R_m C ^dV₂/_dt

= V₂ ( 1 +^{( +} /_Rm C ) )

senza ^R_m/_R

effetto di carico V^m/_Vi = ¹/_{( 1 + iwRC}) => V₂ ( 1 + iwRC ) = V₁

se è A come "trascurabile influisce sulle ampiezze

e sulla costante di tempo la rende più piccola

e i valori della misura

sostanzialmente variano

sensibilmente

Per superare questo vengono usati i filtri Attivi

Filtri Attivi

utilizzano operazioni non lineari per amplificare il segnale e tagliare contemporaneamente

schema di un filtro attivo:

Il segnale filtrato (passa-basso), il dispositivo operazionale è caratterizzato di avere un blocco d'impedenza d'ingresso e di feedback.

La funzione di trasferimento è

configurazione per utilizzarlo come filtro passa basso, si muta una la maggior parte degli amplificatori, spesso eseguendo una resistenza specifica filtro.

Attivi con metodo elevati e sono configurabili, si può decidere quanto amplificare e dove tagliare.

L'incertezza sul tempo di digitalizzazione potrebbe essere ancora molto rilevante.

L'incertezza deriva per un determinato tempo a variazione del segnale. Quando i segnali variano molto rapidamente, è necessario un campionatore veloce.

Sample & Hold (S/H), è un componente che serve a campionare tenendo il valore costante.

Quando è chiuso capacita si carica, quando è aperta, capacita scarica la tensione con un valore costante.

chiusura ed apertura a tensione costante quando campionato chiuso, aperto mantiene un segnale costante, e così via.

amplificatori: guardano amplificazione ed adattivo, il segnale

sono alimentati tramite varie f.t.c. per il più in amplificatori con 4 componenti

gli amplificatori invertente sono orientati a differenziali, gli misura

1) si utilizzano per segnali riferiti a terra (grounded)

2) per segnali sia grounded sia per segnali floating

solamente la corrente riesce a essere riferita

quelle dell'alimentazione

(es. 220V) tutti i segnali

segnali riferiti: alla terra

con sorg.type. (oscillazione tra zero e valore ±)

con sorgi.floating, invece,

segnali possono essere

a batteria o oscillazione interno allo

zero.

esempio

termocoppie di fosofi

piezoelettrici segnale

transporto della provenienza del segnale è necessario organizzare il flusso di.

determine al tipo di segnali

configurazione di attacco segnali di similazione in differenziale e single-ended

configurazione ingresso architettura

    \ /

---------> V_o

configurazione differenziale

    / \

---------> V_o

single-ended

floating viene collegato sempre in differenziale

grounded si collega in single-ended ma è collegabile anche in differenziale

Il problema? Possibile rumore \Noise estat sul cavo che entra nell'amplificatore.

- Le due terre siano diverse (possono oscillare i tre volt differenza)

vengono amplificati anche (V₆₁ - V₆₂) differenza tra le

quelle differenziali (maggiore sono i rifiuti)

Il \Noise si elidono sui cavi e le (rumore di modo)

Nessun problema delle differenza tra terre

vengono anche detti Convertitori S&H sincronici e tenuto

Convertitori Analogico - Digitale

(LI)

analogico

V(t)

Digitale

esistono moltissimi

tipi di Convertitori

con diversi parametri

• Campionamento
• n di bit
• Incertezza e accuratezza

Convertitore A/D ad Integrazione

V_in, tensione da convertire in

una stringa di bit.

Assumiamo che V_in entri in

valore costante (con S/H)

L'integratore è caricato

con il V_in per un tempo t₁

_{Trascurando l'inizio del ciclo}

Integratore, integrazione del valore in entrata

L'integratore è compensato

dove

V_in = t₂ V_rif

t₁

Clock del calcolatore

per quantizzare Vin viene trasformato in una misura di rapporto tra tempi

dove T₁ è fisso perchè vengono calcolati il numero di impulsi n₂ per portare

V_out a zero dopo n₁ impulsi; perciò risalgo alle variabile in fondoscala

che mi fa risalire a Vin

viene definito a doppia pendenza

perché:

• la pendenza della curva di salita
• la pendenza della curva di discesa
• pendenza impressa di fondo scala _finodizare

tempi fissati m misurato

per questo processo è necessario ad esempio una tensione costi

l’uso oggi di questo A/D è ormai scemato viene usato l’integrale in cui

rumore dont’ infuise sulle misura (integrale misura linee)

- Convertitore A/D Flash (N=4 bit)

V_rif

2^N parti

Vin

- Viene diviso in 2^N parti

Separata da 4 LSB trasmire le R che

definiscono (N-1) soglie

(V_ref)

N=k bit di uscita

- Verra sfrutto il principio che

lavora in parellelo li tutti i liveli in quantizzazione

sfrutta principio di resistenza

No sulla serie de resistenze viene

applicato il V_ref che ognuno rappresenta

un gradino (quello in fondoscala) avrò

resistenze per ogni 2^N

resistente (N) per cadauno

V_in

la tensione V_in div a quale resistenza d

resistenze resiturendo

in collocato su del livello

indirescati i tutti.

^{parallellizzati}

Per aumentare il numero di bit è necessario aumentare il numero di

problemi il riproblemo e resistenze resistenze uguali

solitamente mai superiori a 6-8 bit

Convertitore A/D 8bit in parallelo

Prima conversione a 4 bit che entra in memoria

Operatore somma con segno negativo.

Convertitore SAR (Successive Approximation Register)

Procedimento viene ripetuto periodicamente con la frequenza pilotata dal clock e la frequenza di trasmissione.

V_in -> (>S/H) -> Comparatore

Alcune le schede di conversione A/D hanno bisogno di taratura ed hanno una loro tolleranza e non linearità.

• offset (b)
• guadagno (m)
• linearità

errore di offset che trasla tutto il risultato A/D convertito

ottengono una variazione della zero

gain error e una variazione della pendenza

errore sistematico del convertitore

La non linearità vuol dire che interpolante non è una retta. Questo può avvenire quando ad esempio i gradini della splinata non con tutti uguali.

Anche il range di temperatura influiscono su ... che dipendono dal tipo

di circuiti testinati (es. commerciale, industriale, militare/aerospaziale)

Convertitore Digitale-Analogico (DAC)

lo stringo di bit viene convertito in tensione

V_rif

Convertitore Ladder

DAC "Ladder"

ingresso di n bit

ingresso di un certo numero di bit, in uscita un valore di tensione.

il numero di bit è una percentuale del fondoscala della tensione V_rif

R_ref è la resistenza R_f che fa riferimento al numero di bit, essa è formata da una note di resistenze in parallelo, pesate e connesse con switch pilotati dai bit.

la resistenza vale 2ⁿR_ref decrescendo di un expo ad ogni resistenza.

tensione di uscita sarà pari a V_out=V_rif

dove R_out 2ⁿR 2^n-1R considerando ogni resistenza del bit considerato.

Convertitore Digitale-Analogico (DAC)

lo stringa di bit viene convertito in tensione

Stringa di bit

DAC

Convertitore Ladder

ingresso di un certo numero di bit, infatti un valore di tensione

V_rif -> Convertitore D/A = R_L

Ladder

ingresso di n bit

numero di bit e una percentuale del fondoscala della tensione V_rif

Nella ladder R_f è la resistenza R_L che fa riferimento al numero di bit, essa è formata da una rete di resistenze in parallelo connesse con deviatori pilotati dai bit

V_rif

2ⁿ

Aggiungendo una resistenza valore 2^R decrescendo di un'eguaglio a resistenza la tensione di uscita sarà pari V_ar = V_rif R_f / R_L

dove 1 / R₁ + 1 / 2^R1 + 1 / 2^R + 2^R considerando ogni resistenza del bit considerato

Sistema di Acquisizione dati

• I parametri caratteristici sono:
• numero di bit
• quantià di canali
• il campionamento per ogni canale
• profondità di memoria per ogni canale
• Collegamento con il punto di che processa i dati misurati (loss)

Buffer dati circolare (Circular Buffer): punto in cui i dati vengono scaricati al buffer e poi nella memoria del computer. Finito lo spazio di scrittura si ricomincia a scrivere dall'inizio (circolare) mentre i dati che vengono sovrascritti sono acquisiti dalla memoria del PC.

per acquisizione di molti canali può essere problematico per un segnale veloce.

• per misure statiche, le grandezze nei n canali

Tensione

S/h

Amux

a misura non è complicata mis. statiche (costanti) (NO S/H)