Analogico: rappresentano grandezze fisiche che variano

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1 condizionamento e conversione dei segnali Introduzione I segnali forniti dagli elementi sensibili di misura richiedono specifici trattamenti (condizionamento) prima del campionamento e della conversione in valori numerici Il condizionamento è realizzato con circuiti analogici Segnali provenienti dai sensori sono di tipo: Analogico: rappresentano grandezze fisiche che variano con continuità ità nel tempo Digitale: rappresentano lo stato di componenti, superamento di soglie, raggiungimentodi fine corsa, ecc.

2 condizionamento e conversione dei segnali Introduzione Anche i segnali di uscita dai dispositivi di controllo sono classificati in analogici e digitali Schema di un sistema di controllo digitale:

3 condizionamento e conversione dei segnali Introduzione Bisogna separare il segnale dal rumore elettrico Dovuto in buona parte ai collegamenti tra l elemento sensibile e i circuiti di condizionamento Sorgenti di rumore: Interferenze dovute a circuiti adiacenti Radiazioni elettromagnetiche di origine remota I rimedi riguardano: Modalità di realizzazioni dei collegamenti Caratteristiche elettriche dei segnali trasmessi Cavidi trasmissione

4 Generalità Campionamento: conversione di un segnale in una sequenza numerica che rappresentano i valori assunti dal segnale in un insieme discreto di istanti di tempo Periodo di campionamento: intervallo di tempo tra due campioni successivi Teorema del campionamento (o di Shannon): un segnale continuo a banda limitata ω M è ricostruibile in modo univoco dai suoi valori campionati se la pulsazione di campionamento ω S è maggiore di 2ω M

5 Generalità Formula di interpolazione di Shannon: consente di ricostruire il segnale continuo a partire dalla sequenza dei suoi campioni Pulsazione di Nyquist: pari alla metà della pulsazione di campionamento ω N = ω S / 2 f N = ω N / (2π) Disturbi agenti sul processo e sulla strumentazione di misura segnale a banda illimitata Disturbi alla frequenza di rete e suoi multipli associati: a emissioni elettromagnetiche di utilizzatori elettrici ad anelli di massa

6 Generalità Aliasing: il campionamento può causare la trasposizione in bassa frequenza (nella banda di controllo) del rumore in alta frequenza (> f N ) Prefiltraggio: necessario per eliminare il rumore in alta frequenza prima di effettuare il campionamento Forme di condizionamento: Filtraggio: passa basso, passa banda e passa alto Messa in scala: Amplificazione ed attenuazione Adattamento di impedenza Isolamento galvanico

7 Generalità Condizionamento attivo Amplificazione e isolamento galvanico Condizionamento passivo Attenuazione, soppressione dei disturbi, conversione corrente tensione e filtraggio Conversione corrente tensione necessaria quando i segnali di ingresso giungono con l anello di corrente (4 20mA) usato per trasmissioni i ia distanza Schede di condizionamento vs. condizionamento sui trasmettitori (oggiprevalente)

8 Accoppiamenti e interferenze tra circuiti e segnali Accoppiamento di due circuiti: generazione di segnali elettrici indesiderati in un circuito da parte dell altro Accoppiamento condotto Dovuto a comunanza di percorsi o tratti di percorsi di massa e di linee dicollegamento Accoppiamento capacitivo Veicolato dalle capacità parassite tra i cavi dei circuiti Accoppiamento induttivo Originato da una corrente elettrica che fluisce in un circuito e dal flusso magnetico generato che si concatena con l altro circuito

9 Accoppiamento condotto Accoppiamento condotto: si manifesta quando correnti di due circuiti fluiscono attraverso una impedenza comune

10 Accoppiamento capacitivo Accoppiamento capacitivo: veicolata dalle capacità parassite tra parti prossime di circuiti distinti e massa Esempio: C 12 : capacità parassita tra i conduttori 1 e 2 C 1G e C 2G : capacità parassite tra i conduttori 1 e 2 e massa R R V 2( s) = V1 V1 = sc12rv Z ( s) + R Z ( s) 12 inipotesi ipotesi che 12 Z = 1/( sc ) >> 1 V 1 tensione del conduttore 1 R resistenza verso R massa del conduttore 2

11 Accoppiamento capacitivo Il rumore in tensione generato per accoppiamento capacitivo è proporzionale alla frequenza e all ampiezza del segnale sorgente del disturbo, all impedenza verso massa del conduttore ricevitore e alla capacitàparassita parassita Le capacità parassite verso massa determinano la saturazione con la frequenza del segnale sorgente V V 2 1 C 12 C 2G + C 2G nell ipotesi che R >> /( ω( C + C )) G

12 Accoppiamento capacitivo Se il conduttore 2 fosse un circuito di acquisizione allora la sua l impedenza di ingresso R non dovrà essere eccessivamente alta per ridurre gli effetti dei disturbi Le capacità parassite si riducono fortemente t (in modo non lineare) con la distanza Per combattere gli effettidelle capacità parassite: Si devono allontanare i circuiti e/o Schermare il circuito da proteggere (circondare i conduttori con una sottile lamina metallica)

13 Accoppiamento capacitivo Circuito schermato: Se lo schermo circondasse completamente il conduttore 2, le capacità C 12 e C 2G si annullerebbero, sostituite dalle C 1S, C SG e C 2S Anche per schermature parziali la capacita C 12 verrebbe comunque drasticamente ridotta Lo schermo deve essere posto a massa da un solo lato per evitare correnti indotte dalle d.d.p. tra le masse

14 Accoppiamento induttivo o elettromagnetico Un circuito percorso da una corrente I 1 produce un campo magnetico di induzione proporzionale alla corrente Ad un circuito vicino si concatena un flusso magnetico Φ12 = M12I1 dove M 12 è la mutua induttanza tra i due circuiti Se il flusso concatenato è variabile nel tempo sul circuito i si induce una forza elettromotrice indesiderata (rumore) pari a = M di 1 / dt V d 12

15 Accoppiamento induttivo o elettromagnetico Se la corrente è sinusoidale I A ωt 1 = 1 sin la forza elettromotrice risulta V d = M12A1ω cosωt proporzionale alla frequenza Per minimizzare i i gli effetti dell accoppiamento bisogna: Allontanare i circuiti Disporre i circuiti in modo da ridurre l area della maglia costituita dal secondo circuito perpendicolare p alle linee del campo generato dal primo

16 Accoppiamento induttivo o elettromagnetico Sorgenti di campi magnetici rilevanti e variabili a frequenze elevate sono gli alimentatori di potenza Modulazioni di tensioni switching o PWM a frequenze di decine di khz Trasmissioni a distanza cavi intrecciati (twistati) Campo netto in ogni direzione è nullo per ogni periodo di treccia (2 incroci e 2 anse) se percorsi dalla stessa corrente La schermatura non ha effetto sull accoppiamento elettromagnetico La laminametallica metallica (non ferromagnetica) non altera campi

17 Cavi di collegamento Cavi usati nelle applicazioni di controllo sono: Cavi twistati Cavi schermati Cavi twistati e schermati Esempio a) Cavo twistato per collegare una termocoppia ad un amplificatore di isolamento, con schermo a massa ad una estremità

18 Cavi di collegamento Esempio b) Doppino piatto schermato per la stessa applicazione del caso a) (soluzione poco usata) Esempio c) Cavo coassiale, con calza esterna usata come filo di ritorno dl del segnale, per collegare un segnale di tensione e un circuito di amplificazione non invertente La corrente nella calza è uguale e opposta a quella nel conduttore centrale e ne annulla il campo magnetico generato all esterno dello schermo, evitando emissioni elettromagnetiche Cavo coassiale da preferire al doppino schermato e twistato per f>100khz poco usato nelle applicazioni di controllo

19 Collegamenti di massa I collegamenti di massa sono causa di accoppiamento tra i circuiti che ne hanno parti in comune Massa di segnale (signal ground): nodo di riferimento rispetto al quale vengono misurate le tensioni negli altri nodi del circuito Le masse possono essere collegate a terra (earth ground): Per non lasciare fluttuare il potenziale Per ragioni di sicurezza

20 Collegamenti di massa Senza un collegamento diretto, la tensione tra la massa e la terra può raggiungere valori imprevedibili Il collegamento di sicurezza è necessario nelle apparecchiature in cui sono presenti tensioni pericolose per le persone in caso di contatto accidentale Nei sistemi di acquisizione e controllo di processo si considerano almeno due masse La massa del campo (o dei sensori e degli attuatori) La massa dei circuitidiacquisizione

21 Collegamenti di massa Se entrambe le masse sono connesse localmente a terra, si forma un collegamento tra le masse stesse attraverso un percorso di terra Collegando le masse per realizzare il percorso di ritorno del segnale, si realizza un anello chiuso (anello di massa o ground loop) La terra non è equipotenziale nell anello di massa nasce una circolazione di corrente Le differenze di potenziale di terra, in impianti di grande dimensione, possono essere di diverse decine di volt e possono variare nel tempo (attacco di motori, ecc.)

22 Amplificatori per il condizionamento I convertitori A/D richiedono in ingresso tensioni di alto livello ( V) Segnali di basso livello ( mv) vanno amplificati Amplificatori utilizzati nei sistemi di controllo: Amplificatori operazionali Amplificatori da strumentazione Amplificatori d isolamento Amplificatori operazionali sono impiegati in piccoli sistemi, con specifiche di prestazioni poco stringenti e in ambienti poco rumorosi

23 Amplificatori per il condizionamento Amplificatori da strumentazione e gli amplificatori d isolamento sono impiegati in contesti rumorosi e per i quali sono richieste specifiche stringenti Costi maggiori Circuiti più complessi e di maggiori dimensioni

24 Collegamenti single ended ended e differenziali Schede di acquisizione dati sono in grado di acquisire n segnali differenziali bifilari 2n segnali single ended monofilari Alcuni segnali sono intrinsecamente differenziali Esempio: uscita di un ponte di Wheatstone Costo della trasmissione e del condizionamento dei segnali differenziali è circa il doppio di quella singleended conviene utilizzare una trasmissione singleended quando è possibile

25 Collegamenti single ended ended e differenziali Esempi di collegamenti differenziali e single ended: (b) DIFFERENZIALE con segnale floating Massa di campo con ritorno comune (a) SINGLE-ENDEDENDED (c) DIFFERENZIALE con segnale a massa

26 Collegamenti single ended ended e differenziali Le connessioni single ended sono fortemente influenzate dalle differenze di potenziale tra le masse che si somma al segnale da acquisire La differenza di potenziale tra le masse è dovuta a Differenza di potenziale dei punti di terra a cui sono collegate localmente le masse Correnti degli altri trasduttori Correnti estranee sul percorso di ritorno comune

27 Collegamenti single ended ended e differenziali Le connessioni single ended sono utilizzabili quando la differenza di potenziale tra le masse è piccola rispetto al segnale da acquisire e alla risoluzione della catena di misura In queste ipotesi non viene introdotto un errore di misura apprezzabile

28 Collegamenti single ended ended e differenziali Nelle connessioni differenziali la differenza di potenziale tra le masse compare come una tensione di modo comune (e cm ) presente su entrambi i terminali dell amplificatore

29 Collegamenti single ended ended e differenziali La tensione di modo comune (e cm ) in uscita ad un amplificatore differenziale compare divisa per il fattore CMRR (Common Mode Rejection Ratio): V = G ( V + ecm / CMRR) u d s nelle ipotesi che Z in» R 1, R 2 e Z cm Esempio: V s = 0.02V, e cm = 4V, CMRR = 80dB errore 2%

30 Collegamenti single ended ended e differenziali Collegamento a massa dell ingresso invertente dell amplificatore per i collegamenti differenziali È necessario per realizzare un percorso di ritorno a massa delle correnti di polarizzazione dell amplificatore In assenza di un apposito collegamento a massa, le correnti ritornano a massa attraverso le capacitàparassite parassite le capacità si possono caricare nel tempo aumenta la tensione di modo comune quando la tensione di modo comune raggiunge valori prossimi a quelli dell alimentazione l amplificatore va in saturazione

31 Collegamenti single ended ended e differenziali In alcuni casi il collegamento a massa non è praticabile amplificatori di isolamento Possono funzionare con la massa del circuito di ingresso flottante Esempio di percorsi di massa comune: acquisizione delle misure di corrente di due motori Si rilevano le tensioni ai capi di due resistenze in serie agli avvolgimenti di statore

32 Collegamenti single ended ended e differenziali Le misure differenziali sono V AB e V A B Le misure single ended sono V AO e V A O A differenza di V AB, la tensione V AO dipende oltre che da I 1, anche dalla d.d.p. sul percorso di ritorno dell alimentazione Nel collegamento differenziale le tensioni V B e V B misurate rispetto alla massa del sistema di acquisizione appaiono come tensioni di modo comune

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