Sensori ed attuatori. Interfacciamento

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1 Sensori ed attuatori Elettronica di interfaccia (condizionamento del segnale) Sensore Logica di controllo Attuatore 30 Interfacciamento Problemi grandezze fisiche non compatibili lielli di tensione non compatibili impedenze non compatibili potenze non compatibili segnali complessi EMI normatie. Soluzioni trasduttori amplificatori traslatori di liello fotoaccoppiatori trasformatori filtri. 3

2 Segnali in tensione / corrente In ambito industriale i segnali sia analogici che digitali hanno tipologie e lielli ariegati: PLC : I/O digitali in tensione 0-4V Sensori : out analogico in corrente 4-0 ma Logiche : I/O TTL, CMOS in tensione 0-5V opp 0-3.3V Interfacce : S3 I/O in tensione -0V, 0V (typ) Bus di campo : S-485 I/O in tensione (diff) -5V, 5V In alcuni casi (es. Accelerometri piezo, encoder, sensori di prossimità ecc. ) dee essere fornita una tensione/corrente di eccitazione. In molti casi è necessario proteggere il circuito di controllo dal mondo che controlla mediante isolamento galanico. 3 Interfacciamento sorgente-utilizzatore I OUT I IN Sorgente V OUT V IN Utilizzatore I ITF Sorgente V ITF Utilizzatore

3 Circuito equialente sorgente Z TH i O i O TH _ O i N Y N O Theenin Norton Interfacciamento Z OUT I ITF V S _ VITF Z IN V ITF = V S Z IN Z IN Z OUT I ITF = Z IN VS Z OUT 3

4 Ingressi Analogici Talolta l ampiezza picco-picco e la banda del segnale in ingresso non sono ottimali rispetto alle caratteristiche del conertitore AD: Liello picco-picco troppo eleato saturazione del conertitore Liello picco-picco troppo basso ridotto rapporto segnale-rumore banda troppo estesa ( BW > f S /) aliasing segnali bipolari / alimentazione singola In molti casi di dee ricorrere a uno stadio di amplificazione/attenuazione interposto fra la sorgente e l ADC. La sua funzione è : ottimizzare il liello del segnale da conertire adattare le impedenze eentualmente traslare il liello Buffer (PGA) proteggere l ADC Signal source Protection circuit ADC 36 Uscite Analogiche Spesso le caratteristiche del segnale di uscita dal DAC non sono adatte a pilotare direttamente un carico rappresentato da un circuito utilizzatore. Le ragioni possono essere Dinamica troppo eleata ridotto rapporto segnale-rumore Dinamica troppo ridotta incapacità di pilotaggio Corrente in uscita troppo alta incapacità di pilotaggio Impedenza di uscita non ottimale Quasi sempre di dee quindi ricorrere a uno stadio di amplificazione a alle del DAC. Buffer DAC Load 37 4

5 Buffer a OPAMP Spesso un modo semplice ed efficace di risolere i problemi di interfaccia sulle linee analogiche è quello di ricorrere a buffer ad operazionali: 38 Modello del segnale D _ Utilizzatore CM _ 5

6 Lielli tipici dei segnali D CM A CM A D Termocoppie 0 mv 0 / float - / << >> Batterie -0V 0-00 V << Strain-gage 0 mv -5 V << >> Current monitor 0-00 mv -0 V << >> ECG mv float << >> Amplificatore differenziale ad OPAMP ( DIFF AMP ) 4 6

7 7 4 Diff Amp: analisi O = O = = 43 Sommando i contributi si ottiene: Si uole che la componente di modo comune non enga amplificata. Perciò: Ciò si erifica se : / = 4 / O O OUT = = 0 = = OUT Diff Amp: analisi

8 Diff Amp : in Per alutare in scriiamo l equazione della maglia di ingresso: 0 in = = i i 44 Dual s. Single supply 45 8

9 Dual s. Single supply V IN V OUT Dual supply V CC > V OP V SS < -V OP V OP V OUT 0V t V IN V CC _ V SS V IN V OUT Single supply V CC > V OP V SS = 0V 0V t Solo se rail to rail input e output 46 Esempio : Spartan 3-E Starter Board 47 9

10 Esempio : Spartan 3-E Starter Board 48 Esempio : Spartan 3-E Starter Board 49 0

11 Esempio : Spartan 3-E Starter Board DAC PGA C filter (ω H.53 MHz ) Voltage diider: Vref =.65V Alimentazione singola! 50 PGA Ma attenzione! 5

12 PGA 5 ADC conerter 53

13 Segnali bipolari Per progettare uno stadio in grado di gestire segnali bipolari (riferiti a massa) partendo da alimentazione singola occorre: una charge pump un conertitore single ended to differential Single supply Charge pump Bipolar in Dual supply Unipolar out (non in) Unipolar out (in) Vref > 0V 54 Single ended to differential AMP N.B. Dual power supply 55 3

14 Single ended to differential AMP Es. : segnale bipolare guadagno 4 V refadc =.096V Dimensionamento: F / G = 4 V IN = 09.6 mv V EF =.048 V 56 Single ended to differential AMP : simulazione 57 4

15 Charge Pump 58 Charge Pump 59 5

16 Charge Pump Operating Principle D V V D D 3 V OUT _ C C C OUT Φ Φ 60 Charge Pump Operating Principle t=0 V =V CC -V γ V =V CC -V γ D D D 3 V OUT =V CC -3V γ V CC _ C C C OUT Φ =0V Φ =0V 6 6

17 Charge Pump Operating Principle V CC _ D V D V D 3 V OUT Q C OUT C C Φ =V CC Φ =0V f Φ GND V GND f f f 3 V GND V OUT GND 0V / di 6 Charge Pump Operating Principle D D D V 3 V V OUT Q Q C OUT V _ CC C C Φ =0V Φ =V CC Φ GND f V GND f f f 3 V GND V OUT GND 0V / di 63 7

18 V CC _ Charge Pump Operating Principle D V D V D 3 V OUT Q C C C OUT Φ =V CC Φ =0V Φ GND f 3 V GND f f f 3 V GND V OUT GND 0V / di 64 Charge Pump Simulazione 65 8

19 DC/DC conerter 66 DC/DC conerter 67 9