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Acquisizione - Distribuzione - Trasduttori

elettronica


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Acquisizione


Il trasduttore fornisce in uscita una grandezza elettrica di valore proporzionale alla variazione della grandezza fisica.I segnali analogicì, opportunamente condizionati, vengono trattati da convertitori analogico-digitali (ADC: analog to digital converter); essi forniscono in uscita stringhe di bit che rappresentano numeri proporzionali ai valori del segnale analogico di ingresso.

Il convertitore A/D è preceduto da due blocchi, il multiplatore analogico e il circuito di campionamento e mantenimento (S/H: sample

and hold).

Il multiplexer seleziona, a seconda del codice presente sulle linee digitali di indirizzo, uno solo dei segnali analogici di ingresso, trasferendolo in uscita; in tal modo è possibile trattare più segnali indipendenti impiegando lo stesso convertitore. Il circuito sample and hold risponde alle esigenze di campionare, in un tempo relativamente breve, il segnale analogico da convertire e di mantenerlo stabile per tutta la durata della conversione. Ed infine questi dati possono essere elaborati da processori o visualizzati da sistemi di visualizzazione.





Distribuzione


Dopo che i dati analogici sono stati convertiti in forma digitale e sono stati memorizzati o elaborati, spe 818c28i sso il risultato delle elaborazioni deve nuovamente interagire con il «mondo esterno.

Il trasferimento dei dati di uscita, sia digitali sia analogici, viene comunemente indicato con il termine distribuzione.

I dati digitali forniti dall'elaboratore su otto linee parallele vengono convertiti in forma analogica dal convertitore digitale-analogico il segnale di uscita del DAC viene mandato all'ingresso di un demultiplatore analogico che lo trasferisce all'uscita selezionata dal codice presente sulle sue linee di indirizzo.

Infine potranno essere presenti circuiti S/ H e filtri che consentano un'adeguata ricostruzione dei segnali analogici dopo la conversione e la distribuzione.

I segnali generati dai trasduttori devono di solito essere condizionati in modo che il trasferimento dell'informazione possa avvenire con le caratteristiche di precisione e di linearità: immunità al rumore, isolamento elettrico. Il condizionamento viene realizzato mediante amp. anche molto sofisticati, e filtri.


Trasduttori


In un sistema di acquisizione dati, i trasduttori sono dispositivi che forniscono in uscita una grandezza elettrica . Essi possono essere classificati considerando la grandezza fisica o la grandezza elettrica. Un'altra suddivisione comune è quella che distingue i trasduttori attivi, da quelli passivi. I primi, che comprendono i trasduttori piezoelettrici e le termocoppie. I trasduttori passivi invece, per essere utilizzati hanno bisogno di una sorgente di alimentazione esterna chiamata eccitazione;


Caratteristiche e parametri

Segnale di uscita. Diverse sono le esigenze di condizionamento e conversione a seconda che il trasduttore fornisca in uscita un segnale digitale o uno analogico; diverso è il condizionamento richiesto se la grandezza di uscita è una tensione, eventualmente amplificare o da linearizzare, oppure una corrente o una resistenza o una capacità.

Funzione di trasferimento. Indica la relazione fra la grandezza da rilevare e la grandezza d'uscita del trasduttore.

Linearità. Si richiede che la funzione di trasferimento del trasduttore sia lineare per un ampio intervallo di valori della grandezza di ingresso, l'errore di non linearità indica lo scarto massimo fra la curva di trasferimento reale e la retta che la interpola.

Sensibilità. Esprime il rapporto fra la variazione della grandezza di uscita e la corrispondente variazione della grandezza fisica di ingresso.

Errore di misura. Rappresenta la differenza fra il valore reale di una certa grandezza e il valore misurato.

Caratteristiche dinamiche. Specificano il comportamento del trasduttore quando la grandezza da misurare compie brusche variazioni.


Circuiti a ponte

Molti trasduttori e in particolare quelli che convertono la variazione della grandezza fisica in esame in una variazione di resistenza, vengono inseriti in strutture circuitali a ponte, in modo che la variazione di resistenza possa essere rilevata come tensione di sbilanciarnento del ponte.        ( ponte di Wheatstone); la tensione di uscita v0 e data dalla differenza fra le uscite di due partitori resistivi connessi ad una tensione di alimentazione Ve detta eccitazione del ponte. Rx rappresenta la resistenza di un trasduttore che varia proporzionalmente alla grandezza fisica da misurare.


Condizionamento del segnale

Amplificatori

I segnali forniti dai trasduttori sono in genere di ampiezza modesta mentre i convertitori

sono in grado di convertire tensioni dell'ordine dei volt (con valori di fondo scala VFS = ± 5, 5,

10 V); conviene pertanto provvedere un'adeguata amplificazione del segnale in modo che

la sua escursione sia compatibile con i valori di tensione ammessi dal convertitore e si



avvicini al valore della tensione di fondo scala. Ad esempio il segnale di un trasduttore

con escursione 0÷ 100 mV, che debba essere convertito da un ADC con tensione di fondo

scala VFS 10 V, dovrà essere arnplificato di un fattore 100. In questo modo si ottiene una

migliore precisione. Occorre traslare il livello del segnale del trasduttore, ovvero sommargli

un offset. In altri casi è necessario convertire un segnale di corrente fornito dal trasduttore in

un segnale di tensione.

Amplificatore differenziale. Viene spesso usata per amplificare la tensione di squilibrio di ponti cui siano inseriti trasduttori.

Eventualmente quando abbiamo bisogno della differenza amplificata dei due segnali.


Amplificatori da strumentazione. Negli amplificatori da strumentazione innanzitutto i due buffer di ingresso Al e A2 offrono un'elevata resistenza, uguale per entrambi gli ingressi. Inoltre la rete resistiva del terzo operazionale è realizzata in forma integrata mediante i resistori. L'uso di amplificatori da strumentazione offre un significativo

miglioramento delle prestazioni generali (basse correnti di polarizzazione, ridotta tensione

di offset, ecc.) .


Amplificatori di isolamento. Per applicazioni in cui siano presenti tensioni di modo comune molto elevate occorre spesso impiegare amplificatori speciali chiamati amplificatori di isolamento. Fondamentalmente essi presentano il blocco circuitale di ingresso galvanicamente isolato dallo stadio di uscita e dal blocco di alimentazione.

FILTRI:

Nel sistema di acquisizione dati i filtri sono passa basso e comune anche l' impiego di filtri elimina banda per eliminare i disturbidelle frequenze di rete e i filtri passa banda o passa basso per eliminare errori dovutialla corrente di polarizzazione degli amplificatori.

La scelta del filtro dovrà essere effettuata tenendo contodel tipo di segnale e della sua frequenza di errore.

Conversione A/D e D/A

Quantizzazione

Il          processo di digitalizzazione dei segnali analogici introduce il concetto di quantizzazione. Infatti 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 gruppati 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 2 livelli di quantizzazione contigui costituisce il passo di quantizzazione Q.

Un dato digitale ad n bit può esprimere 2n valori; il valore digitale 2n viene pertanto associato al valore di fondo scala  della grandezza analogica Conseguentemente il valore analogico corrispondente al bit meno significativo sarà FS/2n. Ad esempio, un convertitore A/D con tre bit di uscita potrà quantizzare il segnale ingresso con 8 valori, essendo solo Otto le possibili combinazioni di tre bit. stesso convertitore ha un fondo scala FS=8 V, il passo di quantizzazione, pari al valore dell'LSB, è di 1V.


Errore di quantizzazione.

I valori di va compresi ad esempio fra 2,5 e 3,5 V, il valore binario corrispondente è 011

che, riconvertito, fornirebbe va =3 V. Così, per tutti i valori compresi fra O e 0,5 V, il

valore digitale corrispondente è 000. Pertanto l'errore e che si commette nella quantizzazioni

è sempre minore o uguale a ±0,5V, pari cioè al valore di 1/2 LSB.


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. Ci sono convertitori A/D con uscite a 8, 10, 12, 16 bit.

Campionamento

Un altro concetto implicito nella conversione A/D è quello di campionamento del segnale in vari istanti successivi. Infatti la conversione consiste nel prelevamento di un campione del segnale ad un dato istante e nella determinazione del corrispondente valore digitale, che resterà fisso finché non verrà prelevato un altro campione per una nuova conversione. La frequenza con cui il segnale viene prelevato è detta frequenza di campionarnento; Il teorema del campionamento, noto anche come 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.




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Sample and HoId

Dal momento che i convertitori A/D impiegano un tempo Tconv finito (approssimativamente da 20 ms a 1 ns con ADC ad alta velocità) per digitalizzare un segnale analogico in ingresso, eventuali variazioni del segnale durante il processo di conversione possono determinare errori significativi. Se la variazione del segnale analogico Va durante il tempo di conversione Tconv è superiore al valore del bit meno significativo (pari a VFs/ 2n), il dato digitale di uscita può presentare un errore superiore ad 1LSB.



Questo problema può essere risolto utilizzando circuiti di canipionamento e mantenimento (S/H: sample and hold) in grado di compiere un campionamento «veloce» del segnale analogico e di mantenere stabile durante tutto il processo di conversione il valore acquisito.

Circuito S/H

Durante il campionamento il segnale di controllo Vc è ad 1 logico e chiude l' interruttore analogico

consentendo al condensatore C di caricarsi al valore di Va. Quando Vc scende a 0, l' interruttore si apre isolando il condensatore dal circuito di ingresso, C resta carico al valore campionato per un tempo idealmente finito, data l' elevata resistenza d' ingresso del secondo buffer e dell' interruttore aperto.

Parametri:

- tempo di acquisizione: tempo richiesto affinche l' uscita raggiunga il valore finale dopo che è stato dato il comando di campionamento.

- tempo di apertura: rappresenta il tempo che intercorre quando viene dato il comando di hold a quando l' interruttore si apre completamente.

- decadimento: rapresenta la variazione della tensione di uscita durante la fase di hold.

- dinamica di ingresso: escursione massima della tensione di ingresso.

- segnale di controllo: riguarda il livello logico e la tensione necessari per portare in on e in off l' interrutore analogico.

Multiplazione

Nei casi in cui più segnali debbano essere acquisiti da un unico sistema di elaborazione

o          di trasmissione, si deve ricorrere a tecniche di multiplazione per presentare ad esso

sequenzialmente o con cadenza determinata dalle esigenze applicative, i dati digitali relativi

a ciascun segnale.

Multiplazione analogica. Questa tecnica si basa sull'uso del multiplatore analogico. Il circuito e 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 S3... ... S0, che possono essere realizzati a JFET, a Mosfet o a CMOS, vengono chiusi uno alla volta collegando così il rispettivo ingresso analogico all'ingresso dell'operazionale. Un circuito logico provvede a decodificare gli indirizzi (A1 A 0 ) provenienti dall'unità di controllo e temporizzazione e a selezionare l'ingresso analogico desiderato chiudendo l'interruttore corrispondente.

Multiplazione digitale

La diffusione di convertitori A/D integrati a basso costo e l'esigenza di trattare segnali a frequenza elevata hanno determinato l'affermarsi della tecnica di multiplazione digitale, in cui ciascun canale .analogico viene trattato da un proprio ADC. Le uscite digitali dei vari convertitori vengono poi multiplate mediante un multiplatore digitale (DMUX: digital muhiplexer) comandato dall'unità centrale e convogliate sul bus dati. L'impiego dei classici DMUX porta però ad una notevole complessità circuitale, specie se gli ADC sono numerosi e ad elevata risoluzione. Pertanto si preferisce utilizzare i convertitori A/D collegati al bus dati del sistema di elaborazione tramite buffer tri-state, eventualmente già contenuti nei convertitori stessi. I buffer relativi ai vari ADC vengono abilitati uno alla volta, mediante le linee EO, Ei, ..., EN, da un opportuno blocco di selezione che decodifica l'indirizzo del convertitore da leggere. Il metodo di conversione con più ADC in parallelo risulta particolarmente vantaggioso nei sistemi di acquisizione dati industriali, dove i sensori sono dislocati in una vasta area e in ambiente rumoroso.I segnali analogici possono essere convertiti localmente alla fonte e trasmessi all' unità di elaborazione centrale in forma digitale.








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