Voltmetri numerici

Voltmetri numerici

Il convertitore A/D rappresenta il blocco principale del voltmetro digitale, che riceve in ingresso una tensione incognita V e la adatta al decodificatore. Successivamente troviamo un display per la visualizzazione.

Classificazioni dei convertitori A/D

Prima classificazione

• Schema differenziale: Una tensione incognita analogica viene confrontata con un'altra tensione analogica nota generata da un convertitore D/A. Un'unità logica effettua il confronto, generando un codice sequenziale che viene inviato al D/A, tendendo ad incrementare V_r. Il confronto termina quando V_x < V_r di 0,5 LSB. È importante che il valore V_x sia costante per tutto il processo.
• Schema conversione tensione/tempo: La tensione incognita viene convertita in un intervallo di tempo ΔT. Questo ΔT viene trasformato in codice tramite il numero di impulsi N che ricadono dentro l'intervallo di tempo. Il numero di impulsi N è legato alla tensione incognita V_x tramite la relazione: N = k₁ × V_x × ΔT × k₂.

Seconda classificazione

• Convertitori di tipo spot: Sono degli schemi di conversione diretta della forma d'onda, quindi molto veloci e utilizzati nei sistemi DAQ (schede di acquisizione dati) ma anche molto sensibili al rumore. Infatti, se ci fosse la presenza di uno spike (picco) e il campionamento avviene esattamente in quel punto, si avrebbe un campionamento corretto formalmente, ma distante dalla forma d'onda generale.
• Convertitori di tipo integrale: Questi schemi prevedono il campionamento della forma d'onda in un intervallo [t₁, t₂]. Essendo molto resistente al rumore è utilizzato per voltmetri ad alta precisione, però è anche più lento dato che si deve attendere la conversione dell'intero intervallo.

Dispositivi Sample and Hold

È importante che la tensione target rimanga costante durante tutto il processo di conversione. La variazione massima permessa può essere ±0,5 LSB affinché non crei problemi. Nel caso in cui il controllo S-H è a livello logico alto, lo switch MOS sarà chiuso quindi si andrà a caricare il condensatore con la tensione V_x. Quando la carica raggiunge un certo valore, il comando S-H si porta a livello basso, così il MOS si apre non caricando più il condensatore, che quindi mantiene la tensione ai suoi capi. Questa tensione V_C si presenterà esattamente all'uscita del secondo comparatore, V_OUT. Durante la fase di Sample (S-H = 1) V_OUT segue V_X, mentre durante la fase di Hold (S-H = 0) V_OUT mantiene il valore dell'input (+) e quindi la tensione V_C ai capi del condensatore.

Incertezza

• Amplificatore: Non ideale, guadagno non infinito e presenza di offset.
• Larghezza di banda: Limitata dall’OpAmp e dal MOS.
• Jitter: È il ritardo che si ha quando si switcha tra le fasi Sample e Hold. Importante per risalire al segnale.
• Droop effect: Durante la fase di Hold non si riesce a mantenere costante la V_OUT a causa del condensatore che si scarica per la resistenza interna del MOS, comunque è trascurabile se inferiore a 0,5 LSB.
• Pedestal: Effetto dovuto alle capacità parassita tra drain e gate del MOS, che fanno cadere la V_OUT. Anche in questo caso trascurabile se minore di 0,5 LSB.

Voltmetro a rampa

È un convertitore SPOT a conversione V/T. V_X è il valore costante da misurare e da convertire ad un ben preciso ed unico istante. Si ha una rampa decrescente dove t₀ è il primo istante d'interesse. L'istante t* è quello dove V_M = V_X, quindi la rampa assume lo stesso valore di V_X, mentre l'istante t_f è quello in cui la rampa raggiunge il valore nullo. Considerando il triangolo e il triangolo destro più piccolo si ha la relazione di conversione:

\( V_{X} = V_{M} \frac{t* - t_{0}}{t_{f} - t_{0}} \)