Sistema acquisizione dati

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1 12 Sistema acquisizione dati 3.1 Introduzione: Per convertire i segnali analogici trasmessi dai sensori in segnali digitali dobbiamo usare i convertitori analogici digitali o più comunemente chiamati ADC(Analog-to-Digital Converter). L'ADC è un dispositivo in grado di rappresentare, con un valore binario (quindi digitale), una grandezza analogica, che può essere una tensione o una corrente. In pratica non fa altro che misurare la grandezza analogica che gli arriva in ingresso e gli assegna un numero binario corrispondente; per esempio potrebbe assegnare il numero 0001 a 1V, 0010 a 2V, 0011 a 3V e così via. Nei sistemi di acquisizione dati il segnale associato alla grandezza fisica viene sottoposto dapprima a un processo di campionamento (circuiti sample & hold) e di quantizzazione (convertitori AD). Queste due operazioni sono comuni a ogni tipo di segnale e sono caratterizzate, rispettivamente, dalla velocità di campionamento e dalla risoluzione del convertitore AD. 3.2 Parametri di un ADC Principalmente un ADC è caratterizzato da quattro parametri importanti: la risoluzione. il tempo di conversione. il meccanismo di conversione usato. il range di conversione. La risoluzione mi dice quanto un ADC è preciso nell'effettuare la conversione. Essa è il numero di bit che il convertitore stesso è in grado di fornire in uscita. Se un ADC ha una risoluzione di 4 bit potrà apprezzare variazioni pari a 1/16 (2^4=16) del range di conversione, se invece ha 12 bit potrà apprezzare variazioni pari a 1/4096 del range di conversione. Quindi è evidente che l'adc con 12 bit è più preciso di quello a 4 bit. Ci sono ADC usati in campo audio che fanno uso di 24 bit, quindi offrono una digitalizzazione molto fedele del segnale analogico (usati per digitalizzare il suono). Il tempo di conversione è il tempo che serve al convertitore per dare in uscita il risultato della conversione in digitale. Il tempo può variare da pochi µs per gli ADC economici fino a qualche ηs per gli ADC di tipo FLASH.

2 13 Il range di conversione è il range di tensione o corrente che il convertitore è in grado di accettare in ingresso. Ci sono ADC che operano da 0V a 5V, ma ce ne sono altri che possono operare anche con tensioni negative rispetto a massa. Questo parametro può essere facilmente variato, per la precisione ampliato: basta mettere in ingresso un attenuatore, in modo da far rientrare nel range originale un segnale altrimenti troppo grande. Può essere fatta anche l'operazione contraria: se un segnale è troppo piccolo per poter essere apprezzato dal convertitore lo si può amplificare. 3.3 Come avviene la conversione analogica-digitale Per rappresentare numericamente un segnale continuo nel tempo e nelle ampiezze è necessario: campionare il segnale nel tempo. quantizzare le ampiezze dei campioni(quantizzare l'ampiezza di ogni campione utilizzando un numero finito di valori detti livelli di quantizzazione). codificare i valori quantizzati dei campioni(associare ad ogni livello un valore finito usando cifre binarie) Questo processo di conversione A/D che trasforma il segnale originario in una sequenza di bit (0,1) è noto come tecnica PCM (Pulse Code Modulation). Campionamento: Per rappresentare in forma numerica il segnale si esegue il campionamento a intervalli T. L'intervallo di campionamento è scelto in modo da rispettare la condizione di Nyquist.

3 14 La condizione di Nyquist o il teorema del campionamento di Shannon afferma che un segnale limitato in banda è costruibile univocamente dai suoi campioni purché essi siano presi con una frequenza almeno doppia di quella massima presente nel segnale. Quantizzazione: 2 Ciascun campione x[n] è un numero reale che può assumere con continuità qualsiasi valore compreso in un certo intervallo di ampiezze [Vmin, Vmax]. Per rappresentare il segnale in forma numerica si approssima il numero reale con un numero finito di livelli (M) compreso nell'intervallo di ampiezze. Questa operazione e detta quantizzazione. Il quantizzatore è dunque un sistema non lineare che riceve in ingresso il numero reale continuo x[n] e restituisce in uscita il valore più vicino a x[n] fra i M possibili livelli di quantizzazione.

4 15 Codifica binaria dei campioni quantizzati I livelli di quantizzazione di un segnale numerico vengono normalmente rappresentati in forma binaria (codifica binaria). Con N cifre binarie si possono rappresentare M=2 N livelli di quantizzazione. A ogni livello si associa un codice di N bit. Ad esempio, se N=3, otteniamo M=8 livelli di quantizzazione codificabili con 3 bit: 3.4 Progetto: Per acquisire i dati dai sensori ho deciso di realizzare un circuito che mi potesse restituire il valore digitale di ciascun sensore selezionandolo a piacere. Per fare ciò ho usato l ADC 0804 della National Semiconductor, un Sample&Hold e un multiplexer analogico. L'ADC 0804: Ho scelto di adoperare questo tipo di ADC perché innanzitutto non e costoso, e ha un tempo di conversione adatto al mio progetto perché i sensori che andrò a utilizzare non subiscono veloci variazioni, quindi, anche se l'adc non riesce a convertire tutto il campione non si perdono informazioni significati.

5 16 Caratteristiche tecniche ADC 0804: convertitore A/D ad approssimazioni successive. tempo di conversione tra µs a 640 khz. frequenza di clock tra khz. numero conversioni tra conv/s. Un convertitore A/D ad approssimazioni successive è costituito da un circuito di sample&hold, un comparatore, un convertitore D/A (DAC) e un blocco digitale denominato registro ad approssimazioni successive (SAR). Il principio di funzionamento di questo convertitore è basato sul metodo delle bisezioni, che permette di determinare la parola digitale a n bit che rappresenta il segnale di ingresso in soli n periodi di clock (contro i 2n periodi di clock dei convertitori a rampa lineare o incrementali). All inizio di ogni ciclo di conversione il segnale di ingresso Vi viene campionato dal sample&hold. Successivamente, il segnale di ingresso viene confrontato con la tensione analogica fornita dal DAC che corrisponde al bit più significativo. Se il segnale di ingresso è di ampiezza inferiore rispetto al segnale fornito dal DAC significa che il bit più significativo della parola digitale di uscita deve essere posto a 0, altrimenti significa che esso deve essere posto a 1. Una volta stabilito il valore del bit più significativo, esso viene memorizzato dal registro ad approssimazioni successive. Si passa quindi al bit successivo, confrontando la tensione fornita dal DAC con e il segnale d ingresso. In base alla decisione del comparatore si stabilisce se il bit in questione deve essere 0 o 1, memorizzando poi il risultato nel registro ad approssimazioni successive. Si procede in questo modo per n periodi di clock fino a che non vengono determinati tutti i bit.

6 17 I convertitori ad approssimazioni successive sono notevolmente più veloci rispetto ai convertitori a rampa lineare o incrementali. Tuttavia, essi presentano un incertezza maggiore, legata alla precisione con cui si riescono a realizzare le tensioni di uscita del convertitore D/A. Con i convertitori ad approssimazioni successive è pertanto molto difficile superare i 12 bit di precisione. Sample&Hold:

7 18 Se il segnale varia troppo velocemente si deve introdurre tra segnale e ADC un Sample&Hold, che è un dispositivo che durante la fase di Sample preleva un campione del segnale analogico e durante quella di Hold lo mantiene costante alla sua uscita per tutto il tempo necessario alla conversione. L'ADC 0804 senza errori riesce a convertire in 100µs bit/s con una frequenza di 6.2Hz. Se la frequenza dei valori analogici dovesse aumentare, l'adc non avrebbe più il tempo per convertire il campione, che già ne deve convertire un altro. Questo provocherebbe l'inconsistenza dei dati. Quando il logic input si trova a 5V cioè nello stato di sample lascia passare il segnale analogico. Appena il logic input torna a 0 il valore che si trovava in output viene catturato e mantenuto fino quando il logic input non torna a 5V. I Sample&Hold più utilizzati sono la serie LF198, LF298, LF398. Controllo Sample&Hold Per controllare il sample&hold si deve prelevare il segnale WR e INTR dall'adc. Il segnale WR indica quando l'adc sta convertendo. Quando esso si trova a livello basso l'adc è in standby,mentre appena passa al livello alto significa che esso ha appena cominciato a convertire il segnale(deve rimanere a livello alto per tutta la durata della conversione). Il segnale INTR si trova sempre a livello alto, tranne quando la conversione e completata restando a livello basso per 8 cicli di clock. Per cominciare un'altra conversione, il WR deve restare a livello basso per 500 nsec. Per controllare il sample&hold si può utilizzare il 7476 latch.

8 19 Appena il clock parte la conversione comincia. Inizialmente il pin SET (S) si trova con RESET(R) a livello alto(5v), quindi l'uscita Q negata va a livello basso(0v). Essa rimane a livello basso tutto il tempo il quale J e alto e K e basso. La conversione inizia quando l UART imposta CS a livello alto cioè quando ha finito di trasmettere i 7 bit. Quando il pin WR e a livello alto significa che l'adc può convertire. Alla fine della conversione INTR va a livello basso facendo in modo che il RESET (R) mandi l'uscita Q negata a livello alto indipendentemente dal segnale di J, quindi manda il S&H in modalità di sample. Multiplexer analogico: Il multiplexer o MUX è un selettore, con più ingressi di segnale e una sola uscita, capace di inviare a questa uscita il segnale presente all'ingresso selezionato. In pratica tramite gli ingressi di selezione si riesce ad abilitare l'ingresso desiderato. Con 3 bit di selezione si può pilotare 2 n ingressi cioè 8. Per gestire i 3 bit di selezione ho deciso di usare tre uscite dell UART.

9 3.5 Schema elettrico 20

10 3.6 Scheda rappresentata in 3d 21