Caricare documenti e articoli online  
INFtube.com è un sito progettato per cercare i documenti in vari tipi di file e il caricamento di articoli online.
Meneame
 
Non ricordi la password?  ››  Iscriviti gratis
 

L'Interfacciamento verso i sistemi reali - LA MISURA DELLE GRANDEZZE FISICHE

elettronica


Inviare l'articolo a Facebook Inviala documento ad un amico Appunto e analisi gratis - tweeter Scheda libro l'a yahoo - corso di



ALTRI DOCUMENTI

Relazione di elettronica - Strumenti utilizzati
La comunicazione seriale
MISURA DELLA TENSIONE DI OFFSET E DELLE CORRENTI DI POLARIZZAZIONE
LA FUNZIONE SINUSOIDALE - RAPPRESENTAZIONE VETTORALE
Filtro Passo-abbasso e misura di Ampiezza e periodo con Oscilloscopio
Teoria della Reazione - Concetto di reazione
Il convertitore V/F

Text Box: L'Interfacciamento verso i sistemi reali

                                                                                  


 

 

 

Text Box: 1 INTRODUZIONE

 

 

La conoscenza del mondo fisico è stata sempre uno degli obiettivi prioritari del genere umano, sia per la conoscenza in sé sia per la possibilità di modificare l'ambiente stesso, se in possesso delle necessario tecnologie.

Un qualunque sistema è individuato una volta che se ne conoscano i parametri tipici: cosi un motore è caratterizzato dalla cilindrata, dalla velocità e dalle caratteristiche costruttive, una abitazione da parametri quali la temperatura e l'umidità, ecc. Ciascun parametro è legato tramite una legge ben determinata ad una forma di energia che ne consente la misura: così, per esempio, la temperatura o legata all'energia termica, la velocità di un motore può essere valutata attraverso l'energia meccanica, ecc.



L'obiettivo di conoscere ed eventualmente modificare il sistema richiede la presenza, a valle del sistema stesso, di un ulteriore sistema di informazione ed elaborazione, che comprende tre blocchi tipici e precisamente:

- un blocco detto di identificazione, che trasforma le forme di energia legate ai parametri di interesse, in altre forme di energia, più facili da trattare, in genere di tipo elettrico;

- un secondo blocco che manipola il segnale di uscita del blocco di identificazione senza
cambiare il tipo di energia;

- un terzo blocco nel quale il risultato dell'elaborazione può essere o presentato 747g69h all'utilizzatore in forma percettibile da uno dei cinque sensi (normalmente vista o udito), o utilizzato per comandare un sistema di controllo o memorizzato in una qualsiasi forma, qualora l'informazione non sia richiesta immediatamente. In questo blocco può evidentemente essere necessaria una nuova trasformazione da una forma di energia ad un'altra, per esempio da elettrica a radiante per visualizzare i risultati dell'elaborazione su un Display.

           

 

 

 

 

 

 

 

            In Figura sopra sono Rappresentati i Blocchi di Elaborazione delle Informazioni.

                 

 

II primo e terzo blocco, dove avvengono passaggi da un tipo di energia all'altro sono basati su componenti detti trasduttori di ingresso e di uscita. Il blocco centrale, detto sistema di condizionamento ed elaborazione, nel quale il tipo di energia non cambia, può essere di vario genere, secondo il tipo di energia che viene manipolata: nel prosieguo considereremo solo sistemi elettronici, basati su una portante elettrica, con elaborazione tipo numerico, questo comporta, in una certa fase del processo, la trasformazione delle grandezze analogiche in digitali.

Un termine spesso usato è quello di sensore: in genere il riferimento è al sistema d'ingresso, che deve identificare i parametri fisici in maniera analoga a come un essere umano riconosce, per esempio, con il senso della vista il colore di un oggetto. Il problema consiste nel definire quale parte del blocco di ingresso chiamare sensore: le soluzioni, secondo i punti di vista, possono essere molto diverse, in quanto può essere chiamata sensore solo la parte del trasduttore di ingresso più vicina al segnale fisico di interesse, ovvero comprendere nel termine di sensore anche parte del blocco di elaborazione. Onde evitare equivoci, nel seguito saranno chiamati sensori i trasduttori di ingresso che trasformano una diversa forma di energia in energia elettrica e sensori intelligenti la combinazione di un sensore e di una prima elaborazione del relativo segnale di uscita strettamente legata alla legge fisica su cui è basato il dispositivo di acquisizione.

  Nel seguito di questo capitolo saranno esaminate dapprima le caratteristiche dei dispositivi e dei sistemi di elaborazione elettronici, corrispondenti al secondo blocco del sistema di informazione ed elaborazione, quindi le caratteristiche e le proprietà dei sensori dei trasduttori di uscita.

 

 

 

Text Box: 2 LA MISURA DELLE GRANDEZZE FISICHE
 


  

 

 

Come si è visto nell'introduzione, l'identificazione e il controllo di un sistema fisico passano attraverso alcune fasi tipiche legate alla misura delle grandezze fisiche significative del processo in esame e alla presentazione agli interessati dei risultati per un loro utilizzo pratico.

Le grandezze da prendere in considerazione possono essere di vario genere: meccaniche, termiche, chimiche (esempi tipici sono lo spostamento o la velocità di un oggetto, la temperatura di un ambiente, la concentrazione di un gas, ecc.) e il primo passo per la loro misura prevede l'uso di sensori che, basandosi su ben precise leggi fisiche, fanno corrispondere alla grandezza in esame la variazione di una grandezza elettrica.

Esaminiamo la parte elettronica della catena: il blocco individuato come sistema di condizionamento ed elaborazione.

All'ingresso di questo blocco vi è un segnale elettrico variabile nel tempo e legato alla grandezza fisica in esame secondo una legge nota, mentre in uscita vi sono uno o più segnali, ottenuti tramite elaborazione del segnale di ingresso, utilizzati a scopo genericamente informativo ovvero per comandare sistemi di controllo del sistema fisico di cui la grandezza considerata rappresenta un particolare aspetto.

    Le grandezze considerate sono normalmente di tipo analogico, cioè sono funzioni continue del tempo, e pertanto analogico è anche il segnale elettrico all'ingresso del sistema di condizionamento ed elaborazione: se la grandezza da considerare è di tipo numerico, per esempio lo stato di un relè che può essere aperto o chiuso, in linea di principio si potrà sempre considerare un segnale elettrico funzione del tempo che può assumere due soli valori di tensione.

           

                                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                     La Figura sopra Indica l'Uscita di una Termocoppia

In Figura (1) sopra è riportato un tipico segnale analogico, la forma d'onda di uscita di una termocoppia.

         

 

 

In Figura (2) sotto sono riportati:

                                                       

              

 

 

 

 

 

 

 

                       

 

 

 

             (A) Guida Mobile con Misuratore di Velocità                         (B)Forma d'onda del Rivelatore: F= 1/T = Kv.

 

 

 

 

In Figura (3) sotto, sono Rappresentati i Blocchi Tipici del Sistema di Condizionamento ed Elaborazione.

 

 

 

 

 

                                                                                                  



                                  CONDIZIONAMENTO                              ELABORAZIONE

         

 

        


 

 

 

 

Il sistema di condizionamento ed elaborazione presenta caratteristiche diverse secondo il tipo di elaborazione prevista. In figura sopra è rappresentato il sistema tipico nell'ipotesi del trattamento digitale dei segnali. In esso possono distinguersi due blocchi principali, divisi a loro volta in sottoblocchi, il primo dedicato al condizionamento e il secondo all'elaborazione. Il blocco di condizionamento agisce con tecniche analogiche sull'uscita SE(t) del sensore, modificandone le caratteristiche, in modo da avere all'ingresso del blocco di elaborazione un segnale analogico a basso rumore e proporzionale alla grandezza in esame. Nel blocco successivo, prima dell'elaborazione vera e propria, occorre trasformare il segnale analogico in sequenze di bit corrispondenti al valore del segnale in istanti di tempo prefissati: ciò si ottiene con i cosiddetti convertitori analogico-digitali, cioè con quei circuiti che danno come uscita una serie di bit in relazione biunivoca con successivi intervalli di tensione, secondo una tabella. La precisione del sistema complessivo è legata al numero di bit utilizzati nella conversione e all'intervallo di tempo tra una conversione e la successiva. Insieme ai convertitori A/D si usano poi spesso i circuiti di Sample e Hold (S/H). quando sia necessario stabilizzare il segnale di ingresso del convertitore per il tempo necessario alla conversione.

I dati cosi ottenuti vengono elaborati dal sistema di calcolo che può essere o di uso generale, tipo mainframe, operante su più sistemi contemporaneamente, o dedicato, cioè realizzato appositamente per il sistema che si vuole controllare: oggi è in genere preferita questa seconda soluzione per ragioni di costo e prestazioni, in relazione alla diffusione dei sistemi a microprocessore e dei circuiti integrati su larga scala.

Il problema inverso si presenta all'uscita del sistema di elaborazione, se i dati ottenuti devono essere utilizzati per controllare il funzionamento del sistema reale. Infatti il più delle volte occorre generare una funzione analogica, per esempio una tensione, proporzionale ai valori numerici ottenuti dall'elaboratore: ciò in dipendenza dalla caratteristica del tutto generale dei sistemi reali di operare su grandezze fisiche normalmente analogiche. Un esempio è il controllo della portata di un fluido che può essere effettuato con una paratia mobile comandata da un motore che apre più o meno la paratia in funzione di un'uscita numerica del sistema di elaborazione: è evidente che in questo caso occorre trasformare il dato digitale in una tensione analogica variabile nel tempo che comanda il motore.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        

 

         

 

            

          

 

              La Tabella in Figura Indica la Relazione Ingresso - Uscita di un Convertitore Analogico - Digitale.

 

 

 

 

 

 In questi casi occorre utilizzare sistemi di conversione digitale-analogica, che trasformano dato numerico in un valore di tensione analogica.

 

 

 

 

 

Text Box: 3 CAMPIONAMENTO E QUANTIZZAZIONE 


Si consideri lo schema a blocchi relativo all'ingresso del sistema di elaborazione, a valle del blocco di condizionamento, cioè immaginando di avere a disposizione una forma d'onda analogica da trasformare in digitale.

La trasformazione avviene logicamente in due fasi: il segnale analogico deve innanzitutto essere campionato ad intervalli di tempo predeterminati (campionamento) e il valore della funzione così ottenuto deve essere mandato ad un circuito capace di trasformarlo in un «numero» (quantizzazione).

Il problema che immediatamente si pone è quello di vedere fino a che punto il risultato della conversione, cioè le sequenze di bit trasmesse ad intervalli discreti di tempo, è equivalente alla forma d'onda analogica, oppure in alternativa verificare quali sono le condizioni che devono essere rispettate, affinché, se necessario, con l'operazione inversa di conversione digitale-analogica sia possibile ricostruire la forma d'onda iniziale a partire dai dati numerici ottenuti dalla conversione analogico-digitale e, in caso affermativo, quale  sia la precisione ottenibile.

 Il problema si presenta in questi termini in un caso particolare di sistema in tempo reale, nella trasmissione a distanza del segnale in forma digitale, ma la risposta a questa domanda implica ovviamente la risposta al quesito più generale della corrispondenza tra forme d'onda analogiche e loro rappresentazione numerica in ingresso e in uscita a ogni tipo di sistemi.

La risposta al quesito dell'equivalenza tra rappresentazione numerica e forma d'onda analogica può dividersi in due parti, la prima relativa al campionamento, cioè all'intervallo di tempo massimo tra due campioni successivi in relazione ad una certa forma d'onda, la seconda relativa alla quantizzazione.

Il tempo massimo che può intercorrere tra due campioni successivi è legato al teorema del campionamento. Supponendo di avere una forma d'onda F(t) avente banda limitata con frequenza massima fM,, se F(t) è campionata a frequenza fc , maggiore di 2 x fM, i valori campionati determinano univocamente il segnale F(t) oppure, allo stesso modo, è possibile ricostruire F(t) a partire dai campioni.

In figura sottostante è riportato uno schema di principio che effettua il campionamento di un segnale analogico e le relative forme d'onda. Il campionamento viene effettuato utilizzando un FET comandato dalla forma d'onda impulsiva di figura, avente frequenza fc e durata
dell'impulso Tc . Nelle figure sono riportate rispettivamente la forma d'onda F (t) e la forma d'onda impulsiva equivalente Fc(t), mentre in figura è rappresentata la caratteristica di trasferimento H(f) del filtro passa -  basso che, alimentato in ingresso dalla forma d'onda campionata, dà in uscita la corrispondente forma d'onda analogica: in questo caso la condizione da rispettare è che H(f) sia costante fino a fM e vada a 0 prima di fc-fM. L'ampiezza del segnale d'uscita del filtro è legata alla durata dell'impulso di campionamento e in particolare si ha:

                     F0=(t/T)H0F(t)
se h0 è il guadagno del filtro passa-basso.

 

                              Nella Figura (A) sotto è Rappresentato un Filtro Passa - Basso.

 




 

 

 

 

 

 

                      (A)                                                                               (B)

 

 

                                                                                                                                                                             

                                                                                                                                                            

 

 

 

A

 

B

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                                                                                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 


        

           

 

                    Nella Figura Sopra è Rappresentato il  Campionamento di un segnale.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                         (A)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           

                                                                                          (B)

 

           La Figura Sopra Rappresenta II processo di quantizzazione: (A) esempio di forma d'onda quantizzata; (B) relazione tra la tensione di ingresso di un quantizzatore (VIN) e la tensione a gradino di uscita (V0). Passo:

P=1 V.

 

 

Il Segnale Ottenuto dal Campionamento è comunque ancora un segnale analogico e per poterlo elaborare con un sistema digitale occorre far corrispondere ad ogni campione un numero binario: ciò viene fatto con il processo di quantizzazione, che determina la precisione finale della conversione.

 

Il Processo di Quantizzazione consiste nel dividere l'intervallo picco-picco  di variabilità della tensione analogica in Q passi di ampiezza P tali che:

 



                                   A=QP

 


e nel far corrispondere ad ogni intervallo un numero binario variabile tra 0 e 1..

Se ad ogni intervallo si fa corrispondere come valore di riferimento analogico, per esempio ai fini di un eventuale processo inverso di conversione digitale-analogica, la tensione corrispondente al centro dell'intervallo stesso, è evidente che il massimo errore di conversione è pari a P/2 ed è a questo valore che si deve far riferimento per decidere l'ampiezza del passo. Una quantizzazione eccessiva implica infatti un maggior costo di conversione ed elaborazione, mentre una quantizzazione insufficiente va a scapito delle prestazioni.

Così per esempio non avrebbe senso utilizzare migliaia di livelli per quantizzare la luminosità di un'immagine quando l'occhio umano riesce a distinguere non più di un centinaio di livelli. In questo caso la scelta più comune, tenendo conto dei circuiti commerciali, è quella di un convertitore a 8 bit, corrispondente a 256 livelli.

Le considerazioni su esposte si applicano immediatamente ai campioni derivanti dal teorema del campionamento. Volendo far corrispondere un unico numero a ciascun campione, occorre individuare un valore ben preciso di tensione, che secondo i circuiti può essere il valore iniziale o il valor medio nell'intervallo, acquisito mediante i cosiddetti circuiti di S/H.

 

 

 

 

 

 

 

 

Text Box: 4 SISTEMI MISTI ANALOGICO - DIGITALI
 

 

 

 


La realizzazione di sistemi Elettronici di Conversione ed Elaborazione che partendo da segnali Analogici li Elaborano in forma Digitale eventualmente trasformando i risultati finali in forma Analogica, implica alcune considerazioni generali legate soprattutto alla presenza contemporanea nello stesso sistema di Segnali Analogici e Digitali.

Un primo aspetto da considerare è quello della messa a terra. Tenendo conto che ogni linea di un Circuito Integrato e/o di una Piastra presenta valori caratteristici di Resistenza, Induttanza e Capacità per unità di lunghezza, il corretto funzionamento del sistema complessivo è legato ad una sufficiente uniformità delle tensioni di massa nei vari punti del circuito, all'assenza nelle masse dei circuiti analogici di picchi di assorbimento dovuti alle transizioni dei segnali digitali e, infine, ad una differenza sufficientemente piccola tra i riferimenti dei segnali analogici e digitali in ciascun circuito che opera su segnali dei due tipi.

Le tecniche comunemente usate per raggiungere gli obiettivi indicati, tenuto anche conto che il maggior assorbimento è legato alla parie digitale, si basano innanzitutto sulla realizzazione di (almeno) due linee indipendenti per la massa analogica e per quella digitale linee che confluiscono nel terminale di massa dell'alimentazione. Inoltre il rischio di avere riferimenti di terra diversi per un circuito misto può essere limitato connettendo la massa analogica e quella digitale con due diodi polarizzati in senso opposto. Quando necessario infine si possono eliminare eventuali picchi di assorbimento con opportuni condensatori di protezione sulle alimentazioni dei singoli circuiti integrati. Uno schema generale che affronta queste problematiche è mostrato in figura seguente.

Altro aspetto rilevante in questi sistemi è il rumore complessivo: il rumore in un qualsiasi circuito, misurato in relazione al segnale utile come Rapporto Segnale-Rumore (SNR, Signal to Noise Ratio), può essere considerato come la misura di un limite invalicabile per la precisione ottenibile nella misura di una grandezza analogica o, il che è lo stesso, come

l'«Indeterminatezza» con cui quella grandezza è nota. Il rumore deriva da varie cause, come la fluttuazione dei parametri intrinseci dei componenti elettronici per la temperatura, fenomeni ambientali, ecc., ma nel caso dei sistemi di conversione ha come origine principale proprio il processo di quantizzazione.

 

    

      

       

     

            

 

 

 

 

 

 

 

 

                     La Figura sopra Indica le Tecniche di Messa a Terra per Circuiti Analogico - Digitali.


 

 

 Il rumore di quantizzazione può essere valutato considerando che nella conversione analogico-digitale ad un certo valore digitale corrispondono con uguale probabilità, pari a 1/P, tutti i valori della tensione compresi, se E è il valore nominale corrispondente all'uscita, e P è il passo, tra E - P/2 e E + P/2. L'errore quadratico medio su un gradino di tensione ovvero, considerando gradini costanti su tutta la scala di conversione, l'errore globale, è dato da

                  N2 = P2/12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                   La Figura Sopra Indica il Rumore di Quantizzazione.

 

 

 

 

II rapporto segnate-rumore si calcola considerando l'energia di un segnale sinusoidale come
segnale utile. Si ha

                  S2 = A2/2

 Ma P è pari al bit meno significativo e, considerando un'ampiezza picco-picco del segnale    sinusoidale pari a 2A, si può porre:

                             A

                     P = -----

                            2n+1

                                        


 

 







Privacy

Articolo informazione


Hits: 1285
Apprezzato: scheda appunto

Commentare questo articolo:

Non sei registrato
Devi essere registrato per commentare

ISCRIVITI

E 'stato utile?



Copiare il codice

nella pagina web del tuo sito.


Copyright InfTub.com 2019