Componenti per il Condizionamento dei Segnali Analogici e Conversione A/D

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1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Componenti per il Condizionamento dei Segnali Analogici e Conversione A/D Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna evisionato: 18/11/2005

2 Argomenti trattati Generalità Segnali Single Ended e Differenziali Condizionamento (adattamento) e conversione A/D (catena di acquisizione) Scopo e Struttura di massima Multiplexer Amplificatore Campionatore Convertitore analogicodigitale Varianti alla struttura tipica della C. d Acquisizioned Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 2

3 Segnale e trasmissione single ended e differenziale Segnali Single Ended e Differenziali richiamo delle definizioni in particolare per i differenziali: tensione di modo comune Trasmissione Single Ended e Differenziale obbligatoriamente differenziale per i segnali differenziali Attenzione ai riferimenti single ended o differenziale per i segnali single ended preferibile la differenziale (canale dedicato a bassa corrente) (brevi accenni su ground loop coupling e disturbi capacitivi =>schermo) Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 3

4 Scopo della Catena di Acquisizione Scopo generale: Ottenere la conversione in una parola digitale della misura effettuata sul processo Scopo della Catena di Acquisizione: Convertire il segnale ottenuto dal sensore in un segnale di tensione compatibile con il range di acquisizione dell ADC Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 4

5 Struttura di Massima X i Elettronica (analogica) di condizionamento V o Sensore ADC Segnale elettrico fornito dal sensore (V o I) Tensione fornita all ADC Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 5

6 Scopo della Catena di Acquisizione Mappare in modo biunivoco il range del segnale proveniente dal sensore nel range di tensione su cui lavora l ADCl Vo elazione lineare: Vo= A Xi Voffset Vo= A (Xi Xoffset) Xi Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 6

7 Scopo della Catena di Acquisizione elazione lineare: Vo= A Xi Voffsetoffset Vo Vo max Vo max Vo min A= X i max X i min V off =Vo max A Xi max Vo min Xi min Xi max Xi Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 7

8 Scopo della Catena di Acquisizione Lo scopo funzionale principale della catena di acquisizione è,, quindi, la realizzazione: del GUADAGNO A della TENSIONE DI OFFSET Voff La catena di acquisizione è essenzialmente una catena di amplificazione Altre funzioni svolte dalla catena di acquisizione: campionamento (ADC converte in tempo non nullo) filtraggio multiplexing Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 8

9 Scopo della Catena di Acquisizione Specifiche Funzionali di Base range dei segnali risoluzione tempo di conversione banda passante errore totale Queste specifiche influenzano non solo il progetto della catena di acquisizione: scelta dell ADC dimensionamento della circuitistica relativa al sensore (Vref( ref) Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 9

10 Scopo della Catena di Acquisizione Altre specifiche (implicite): adattamento di impedenza rispetto dei ratings dei componenti (saturazioni, bande passanti, correnti massime erogabili) massimizzazione dell affidabilit affidabilità minimizzazione dei costi Sono sempre da rispettare nel progetto attenzione in particolare alle saturazioni Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 10

11 Componenti della catena di acquisizione Struttura tipica su scheda general purpose 1001 D A H S Convertitore Campionatore Amplificatore Multiplexer SI SONO OMESSI I SENSOI E ELATIVA ELETTONICA DI INTEFACCIAMENTO, ALIMENTAZIONE E EVENTUALE ISOLAMENTO. (A MONTE DEL MUX, GENEALMENTE ESTENI PE SCHEDE DI ACQ. GENEAL PUPOSE ) Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 11

12 Multiplexer Scopo consentire l utilizzo l di un solo convertitore A/D n ingressi singleended ended o differenziali 1 uscita singleended ended o differenziale CMOS o Bipolare Caratteristiche Tecnologia costruttiva Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 12

13 Multiplexer Caratteristiche tecniche essenziali (ADG506/507A) on : 280 Ω ±10% on tra canali: 5% on / T: 0.6%/ C off : ns t on / off singleended ended 816 canali differenziale 488 canali Parallelismi tipici Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 13

14 Amplificatore differenziale Vout Problemi Impossibilità di avere resistenze uguali e con uguale coefficiente termico impedenza di ingresso dipendente dal guadagno e sbilanciata offset ad elevato guadagno non utilizzabile in applicazioni industriali ad elevato guadagno insieme ad un sensore Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 14

15 Amplificatore per strumentazione Schema tipico 2 livelli Vin g Vout Vin frontend differenziale Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 15

16 Amplificatore per strumentazione V V = V differenziale V cm = V modo comune V cm V/2 g V cm V/2 frontend Calcolo del guadagno V cm V/2 V cm V/2 g e 1 = V cm (12/ g ) V/2 e 2 = V cm (12/ g ) V/2 V I f = V/ g Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 16

17 Amplificatore per strumentazione V V = V differenziale V cm = V modo comune Calcolo del guadagno e 1 = V cm (12/ g ) V/2 e 2 = V cm (12/ g ) V/2 Vsense Vout V out = (12/ g ) V differenziale Vref Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 17

18 Amplificatore per strumentazione Caratteristiche tecniche essenziali (INA110AG) Guadagno: configurabile 1,10,100,200,500 G: ( )% 0.4)% G/ G/ T: ±(20 100) ppm/ C offset rip.. all ingresso (TI): ± ( /G)µV offset/ T: ±(5100/G) µv/ C imped.. ingresso: >(10 12 )/6 Ω/pF settling time (0.1%): 4 11µs CM: db Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 18

19 Amplificatore per strumentazione Vin g Vin Avvertenze di uso e Vout Attenzione alla saturazione del 1 stadio e = V cm ± G* V/2 5 Volt se V out = 10Volt e V sat = 13Volt V cm < 8 V Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 19

20 Amplificatore per strumentazione Vin V sat g V sat Vin Avvertenze di uso Vout Attenzione alle correnti di polarizzazione dello stadio di ingresso Se il sensore è flottante occorre creare un percorso verso massa altrimenti si richiudono attraverso le capacità parassite saturando gli amplificatori Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 20

21 Amplificatore per strumentazione Vin g Vin Avvertenze di uso V sense Vout parass. carico La retroazione negativa di solito si chiude fuori dall'integrato per consentire il collegamento remoto del carico in modo da neutralizzare gli effetti parassito del collegamento Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 21

22 Amplificatore per strumentazione Vin g Vin Avvertenze di uso V ref V sense Vout V ref il terminale V ref può essere collegato non direttamente a massa ma attraverso un generatore di tensione per traslare l'uscita di una quantità opportuna (Vo= A Xi Voffset) accertarsi che l'impedenza del persorso sia trascurabile per non danneggierebbe il CM dell'amplificatore Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 22

23 Campionatore (Track and Hold) Schema di principio Vin G=1 G=1 Vout t acq. T/H Driver I b Il campionatore ha una dinamica il condensatore si scarica per correnti di bias tempo di acquisizione drooprate attenzione all'impedenza di ingresso: potrebbe non essere alta Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 23

24 Campionatore (Track and Hold) Caratteristiche tecniche essenziali (SCH298) Supply voltage: ±5V to ±18V Acquisition time (0.1%): 6µs 6 Offset: ±2mV Doffset set/dt: ±70 µ V/ C Droop rate: 30 µv/ V/ms Gain error: 0.01% Input resistance: Ω Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 24

25 Convertitore analogicodigitale Definizioni ADC realizza conversione di una tensione v [Vv min una parola digitale W a nbit n secondo una data corrispondenza Corrispondenza AD: A min V max max ] in molteplici possibilità Scelta naturale : Parola digitale W corrisponde alla rappresentazione in base 2 del numero intero: V V min n trunc 2 offset max V V min Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 25

26 Convertitore analogicodigitale Definizioni V V min n trunc 2 offset Vmax Vmin Usualmente: V min = 0V Input Unipolare V min = V max Offset = 0 Offset = 2 n1 Input Bipolare Straight Binary data format [0, 2 n 1] (usualmente quando l input l è unipolare) Twos Complement data format [2[ n 1, 2 n 1 1] (usualmente quando l input l è bipolare) In genere, stesso ADC consente di selezionare diverse modalità di funzionamento Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 26

27 Convertitore analogicodigitale Quantizzazione in ampiezza : Osservazioni Inevitabile nel passaggio da analogico a digitale Perdita informazioni errore di quantizzazione isoluzione dell A/D Diversi metodi di quantizzazione (troncamento): ceil,, round, floor NB in sistemi di controllo digitale: Quantizzazione temporale: campionamento Quantizzazione aritmetica: trunc ampiezza e aritmetica finita La prima è trattata ampiamente (teoria dei sistemi e del controllo per sistemi tempodiscreti) ) la seconda meno (errori numerici, cicli limite ). Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 27

28 Convertitore analogicodigitale ad integrazione rampa doppia rampa in retroazione successive approssimazioni contatore SigmaDelta conversione diretta flash Numerose tipologie per l automazionel Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 28

29 Convertitore analogicodigitale Criteri di scelta ampa S. appross. tempo conversione elevato basso risoluzione elevata elevata immunità ai elevata bassa disturbi disponibilità limitata elevata costo limitato cresce col n. di bit Σ medio Molto elevata media elevata Molto limitato strumentazione controllo Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 29

30 Convertitore analogicodigitale Convertitore per successive approssimazioni Principio di funzionamento icerca dicotomica della parola digitale che dàd la corretta rappresentazione secondo la formula vista in precedenza Si parte da bit più significativo: Se V>Vmin Vmin(VmaxVmin)/2 bit => 1 altrimenti bit => 0 Si itera la stessa procedura per i bit successivi congelando i risultati precedenti Spesso soluzioni ibride: flash SA Bit piu significativi con flash Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 30

31 Convertitore analogicodigitale Convertitore per successive approssimazioni Schema di principio Clock OEH V in S A 3 s t a t e 8 4 OEL interfaccia di uscita DAC nucleo base V refin generazione ef V refout del riferimento Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 31

32 Convertitore analogicodigitale a succ. approx. Caratteristiche tecniche essenziali (AD674B) pinout standard industriale risoluzione: 12 bit Errore di non linearità: ±1LSB tempo conversione: 15µs (esistono dispositivi con tempo di conversione anche <1µs, misti SAFlash con anche S/H a bordo) offset: ±2LSB offset/ T: 10 ppm/ C impedenza ingresso: <7kΩ riferimento tensione interno: si interfaccia bus: 8168 bit funzionamento bipolare: si Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 32

33 Convertitore analogicodigitale Σ IDEA DI BASE CICLO LIMITE OVESAMPLING FILTAGGIO AUMENTO DELLA ISOLUZIONE Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 33

34 Convertitore analogicodigitale Σ Caratteristiche tecniche essenziali banda passante: centinaia di Hz, 121 KHz risoluzione: fino a 24 bit errore linearità: : 1/2 LSB (numero di bit elevato!!) Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 34

35 Varianti alla Catena di Acq. general purpose Eliminazione del S&H dinamiche lente Con un S&H per ogni canale campionamento sincrono Con amplificazione separata per ogni canale scheda dedicata, con sensori diversi adattamento di impedenza S&HMux Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 35

36 Ulteriori Considerazioni Temporizzazioni della Acquisizione tempi di assestamento dei diversi dispositivi sovrapposizione delle operazioni Utilizzo di filtri per la limitazione della banda passante eliminazione dei rumori ad alta frequenza posizionati sempre prima del multiplexer Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 36

37 Esempio Esempio di dimensionamento: scelta dell ADC utilizzo di amplificatori di strumentazione e operazionale calcolo di A e Voff verifica della saturazione del primo stadio ed eventuale amplificazione multistadio Ing. Andrea Tilli DEIS Università di Bologna 37

38 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Componenti per il Condizionamento dei Segnali Analogici e Conversione A/D FINE Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna

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