ELETTRONICA II. Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino. Parte F: Conversione A/D e D/A Lezione n. 29- F - 6: Sistemi di acquisizione
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1 ELETTRONICA II Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino Parte F: Conversione A/D e D/A Lezione n. 29- F - 6: Sistemi di acquisizione Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n. 1-14/11/97
2 Riferimenti al testo Millman-Grabel: Cap. 16: Signal conditioning and data conversion Nicoud: Cap. 6: Interfacce di ingresso/uscita Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n. 2-14/11/97
3 Catena completa 1 - Protezioni all ingresso, attenuatori/amplificatori 2 - Filtri passa-basso (anti-aliasing) 3 - Campionatore (S/H) 4 - Convertitore A/D 5 - Convertitore D/A 6 - Filtri passa-basso di uscita 7 - Protezioni in uscita, eventuale amplificatore. Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n. 3-14/11/97
4 Dimensionamento I parametri di un sistema di acquisizione sono: Precisione e risoluzione (numero di bit, errori di non-linearitá) Banda del segnale (cad. di campionamento) Dinamica del segnale (dimensionamento degli amplificatori all ingresso) Numero di canali (tempo di conversione) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n. 4-14/11/97
5 Sistemi a piú canali Nel casi di sistemi con molti segnali di ingresso, si cerca di sfruttare parte della catena per piú canali. Questa operazione richiede l inserimento di un MULTIPLEXER lungo la catena, in posizione opportuna (prima del S/H) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n. 5-14/11/97
6 Tempo di conversione In un sistema ad un solo canale: T S ~ T C + T ACQ dove: T S : tempo di campionamento T C : tempo di conversione T ACQ : tempo di acquisizione (sistema) (A/D) (S/H) Se lo stesso A/D è usato per N canali: T S ~ N (T C + T ACQ ) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n. 6-14/11/97
7 Convertitori A/D e D/A - 6 Dimensionamento di un sistema di conversione Sistemi a piu canali Condizionamento dei segnali Caratteristiche dei componenti Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n. 7-14/11/97
8 Condizionamento del segnale Questo modulo adatta il segnale al sistema di conversione: limitando l ampiezza a valori tali da non danneggiare il sistema amplificando o attenuando i livelli per adattare il valore massimo al fondo scala limitando la banda del segnale a meno di metá della cadenza di campionamento Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n. 8-14/11/97
9 Amplificatore di ingresso Per ridurre i disturbi di modo comune l ingresso è spesso di tipo differenziale Vengono impiegati: Amplificatori da strumentazione Amplificatori a guadagno variabile (programmabile) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n. 9-14/11/97
10 Amplificatore a guadagno variabile Commutazioni nella rete di reazione: Resistenze pesate in reazione Rete a scala in reazione Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
11 Guadagno variabile con R pesate 8R 4R 2R R R - V I + V O = -4V I VO Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
12 Guadagno variabile con rete a scala R R R R R 2R 2R 2R 2R I/8 I/4 I/2 I 2R - V I + VO V O = -4V I Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
13 Filtri anti-aliasing Filtri passa basso, generalmente attivi Il taglio deve essere piú ripido se il limite di banda superiore è prossimo al limite di Nyquist Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
14 Filtri anti-aliasing Ω 2πF S campionamento con 2πF S ~ 2Ω Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
15 Filtri anti-aliasing Ω 2πF S campionamento con 2πF S ~ 2Ω Ω campionamento con 2πF S >> 2Ω 2πF S Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
16 Dove filtrare L operazione di multiplexing (commutazione tra piú canali) modifica la banda del segnale Nel caso di sistemi a piú canali, il filtro deve essere inserito prima del multiplexer Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
17 Multiplexer Funzione Parametri Schema elettrico Interruttori analogici Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
18 Funzione del multiplexer Commutare su un unico morsetti diversi ingressi Multiplexer M-1: M ingressi, 1 uscita, N = lgm bit di indirizzo Comprende un banco di interruttori analogici, logica di decodifica, eventuali protezioni Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
19 Parametri di un multiplexer Numero di canali Dinamica accettata in ingresso Isolamento tra canali Caratteristiche statiche degli interruttori (R ON, I OFF ) Caratteristiche dinamiche (Capacita parassite) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
20 Multiplexer A B C H indirizzo S1, S2, S3 Y S1 S2 S3 Y A B C D E F G H Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
21 Convertitori A/D e D/A - 6 Dimensionamento di un sistema di conversione Sistemi a piu canali Condizionamento dei segnali Caratteristiche dei componenti Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
22 Interruttori elettronici analogici Analoghi ai transmission gate (Lez. 6), ma in grado di gestire segnali analogici Usati nei Sample/Hold, nei multiplexer e nei D/A (e A/D) Realizzati con: ponti di diodi transistori bipolari transistori MOS Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
23 Interruttori elettronici analogici Interruttori con un morsetto a massa (o altro riferimento a tensione fissa) Interruttori fluttuanti Circuiti di comando Parametri parassiti Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
24 Interruttore verso massa Transistore bipolare comandato in corrente Transistore MOS comandato in tensione Per entrambi il collegamento di un morsetto ad un riferimento fisso consente un semplice comando (in tensione o in corrente) (Lezione n. 1, 2, 3) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
25 Interruttore verso massa Circuito di comando per BJT: OFF: I B = 0 ON: I B > I C /β (lez. 2) R B I B V BB Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
26 Interruttore verso massa Circuito di comando per MOS: OFF: V GS = 0 ON: V GS > V T (lez. 3) V GS Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
27 Interruttore fluttuante Ponte di diodi Transistore MOS o MOS-FET Come imporre una differenza di potenziale (V D, V GS ) tra due morsetti fluttuanti? Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
28 Interruttore fluttuante a MOS V I D S V O G V GS Il MOS è comandato dalla V GS. Come controllare la tensione V GS tra due morsetti fluttanti? Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
29 Comando di interruttore fluttuante V I D G I S V GS R V O V GS = -R I Se I = 0, anche V GS = 0 Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
30 Parametri parassiti degli interruttori Int. chiuso (ON) Int. aperto (OFF) Resistenza R ON Corrente di perdita Parametri dinamici: Capacitá parassite tra gli elettrodi: C GD, C DS, C GS Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
31 Errori del Sample/Hold C DS V I D S V O G C M C GD C GS Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
32 Errori del Sample/Hold Le capacitá parassite formano, con il condensatore di mantenimento C M, dei partitori capacitivi responsabili degli errori di: piedestallo (C GS ) feedthrough (C DS ) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
33 Errore di piedestallo C DS V I D S V O G C M C GD C GS V G sample hold V O = V G C GS /(C GS + C M ) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
34 Errore di feedthrough C DS V I D S V O G C M C GD C GS V O = V I C DS /(C DS + C M ) Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
35 Errori legati a C M Il condensatore di mantenimento è sempre accessibile all utente del S/H Aumentando C M diminuiscono gli errori di piedestallo e di feedthrough (e di decadimento) aumenta il tempo di acquisizione Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
36 Compensazione del piedestallo L errore di piedestallo puó essere parzialmente compensato usando due MOS complementari in parallelo (come per i transmission gate digitali) V C V I V O Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
37 Convertitori A/D a rapporto In tutti i convertitori è presente una tensione di riferimento V R Il valore fornito dal convertitore non è assoluto, ma inversamente proporzionale a V R Esempio: Se la tensione V R è accessibile all esterno, e viene usata per alimentare il trasduttore, il valore D è indipendente dalle variazioni di V R. Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
38 Conclusione Dimensionamento di un sistema di conversione Sistemi a piu canali Condizionamento dei segnali Caratteristiche dei componenti Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
39 Ponte di diodi I D I D > 0 i diodi conducono V I = V O V I V O I D I D < 0 i diodi non conducono circuito aperto tra V I r V O Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
40 Convertitori D/A Convertitori moltiplicativi: la tensione di riferimento puo variare (su uno o due quadranti) Permettono di realizzare: MOLTIPLICATORI misti (grandezza analogica e grandezza digitale) Amplificatori a guadagno variabile Elettronica II - Dante Del Corso - Gruppo F.b - 6 n /11/97
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