Convertitore analogico digitale (ADC) a n bit riceve in ingresso un segnale analogico e lo codifica in un segnale digitale a n bit

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1 ingressi analogici Conversione A/D Convertitore analogico digitale (ADC) a n bit riceve in ingresso un segnale analogico e lo codifica in un segnale digitale a n bit Ogni codice binario rappresenta il rapporto tra l ampiezza del segnale di ingresso V x e l intera scala V fs del convertitore, arrotondato all interopiù vicino B x V = Int V x fs 2 n per V x < V fs 1 + n B x V fs 1 = 2 1 per 1 V n x < V +1 2 dove Int(x) rappresenta la parte intera di x 2 fs 1 n+1

2 ingressi analogici Conversione A/D Due segnali V x1 e V x2 tali che g x1 x2 V x1 V V fs x2 n 2 < 1 Vx1 Vx2 possono dar luogo alla stessa uscita Errore di quantizzazione: V fs /2 n Risoluzione: i 100/2 n errore di quantizzazione espresso in percentuale del fondo scala Convertitore ideale solo errore di quantizzazione Livelli di quantizzazione: valori in corrispondenza dei quali si ha in uscita la transizione tra due codici successivi n+ + 1 n kv fs / 2 per k = 1,3,...,2 < V 2 fs n

3 ingressi analogici Conversione A/D Relazione ingresso uscita di un ADC a 3 bit: a) ideale, b) reale Codice 110 mancante

4 ingressi analogici Conversione A/D Errore differenziale di linearità: scostamento tra la distanza ideale (V fs /2 n ) e quella reale di due livelli di transizione successivi Se lerrore l errore differenziale di linearità è pari a 1 lsb ci sarà un codice mancante in uscita Errore integrale di linearità: differenza tra l ampiezza effettiva del segnale di ingresso nei punti di transizione i del codice e quella teorica Pari alla sommatoria degli errori differenziali di linearità Mancata monotonia: in un certo campo di ampiezze dell ingresso, al crescere (diminuire) delle ampiezze può corrispondere una diminuzione (aumento) del codice

5 ingressi analogici Conversione A/D: risoluzione ed accuratezza La risoluzione complessiva è un parametro fondamentale per il dimensionamento di un sistema di acquisizione Risoluzione i dl del convertitore deve essere superiore a quella del sensore n tale che 1/2 n < R, dove R è la risoluzione del sensore espressa in per unità (p.u.) Nella pratica si considera la relazione tra i reciproci: [2 n ] db deve superare il range dinamico del sensore [1/R] db (inverso della risoluzione in db) Esempio: sensore con range dinamico di 80dB ADC a 14bit, corrispondente a 84dB (12 bit corrispondono a 78dB) Risoluzione ADC: per 12 bit 0.025% del campo di tensioni in ingresso, per 16 bit %

6 ingressi analogici Conversione A/D: risoluzione ed accuratezza Oltre alla risoluzione del convertitore vanno adeguatamente dimensionati anche l amplificatore, il filtro e il campionatore Esempio: unavariazione del segnale di1mv nonè rilevata daun convertitore a 12 bit con fondo scala 10V (minimo valore apprezzabile 10/4096 = 2.44mV) amplificando il segnale di unfattore 10, la stessa variazione sarebbe apprezzata (in assenza di rumore), ma parte del segnale potrebbe andare fuori scala del convertitore L accuratezzat è uno di dei parametri tiche dfii definisce la qualità di una catena di acquisizione dati Definisce l errore totale di ogni lettura effettuabile

7 ingressi analogici Tipi di convertitori A/D Tipi di convertitori di maggiore diffusione: ad Approssimazioni Successive a Integrazione Paralleli (Flash) Sigma Delta La frequenza di campionamento (o velocità ) è un parametro importante per la scelta del convertitore I convertitori si dff differenziano in base al principio di funzionamento e quindi alla velocità

8 ingressi analogici Tipi di convertitori A/D Convertitori ad approssimazioni successive molto usati per frequenze superiori a 100Hz (arrivano fino al MHz) Necessitano che il segnale in ingresso si mantenga costante durante la conversione SH Per le basse frequenze si utilizzano i convertitori ad integrazione Alte risoluzione a costi bassi Velocità: campioni al secondo Accurati e lineari Mediano la variazione del segnale di ingresso durante il tempo di campionamento questo equivale a realizzare una operazione di filtraggio sul segnale campionato, di cui bisogna tener conto!

9 ingressi analogici Tipi di convertitori A/D Convertitori Sigma Delta usati a basse frequenze Accurati (più di quelli ad integrazione) e poco costosi Convertitori paralleli sono i più veloci Molto costosi La loro complessità ne limita la risoluzione a 8 bit

10 ingressi analogici Convertitori A/D ad approssimazioni successive Convertitore ad approssimazioni successive (ASAD)

11 ingressi analogici Convertitori A/D ad approssimazioni successive Funzionamento Si basa sull impiego di un convertitore digitale/analogico (D/A) che produce in uscita un segnale di ampiezza proporzionale al valore contenuto nel registro SAR (registro ad approssimazioni successive) All inizio del ciclo di conversione, il SAR pone ad 1 il bit più significativo del codice di uscita La tensione di uscita V c del D/A sarà pari alla metà del campo accettabile in ingresso Se il comparatore rileva che la tensione V i V c allora il bit è mantenuto alto, altrimenti è abbassato

12 ingressi analogici Convertitori A/D ad approssimazioni successive Successivamente è portato alto il bit successivo e si ripete il confronto Il procedimento è iterato e dopo n confronti si genera una tensione V c uguale a V i a meno dell errore di quantizzazione Il dato numerico prodotto dal SAR rappresenta la codifica della tensione applicata in ingresso Prestazioni Risoluzione: tra 8 e 16 bit Tempi di conversione: μs Ottimo rapporto costo prestazioni i

13 uscite analogiche Introduzione Le uscite analogiche in un sistema di controllo provvedo a pilotare Attuatori Indicatori Registratori a carta Forniscono tensioni a livello alto (±1V, ±10V) o segnali di corrente nel campo standard d4 20mA Sono realizzati con convertitori D/A seguiti da circuiti amplificatori

14 uscite analogiche Condizionamento L isolamento galvanico spesso richiesto per le uscite Negli impianti industriali le uscite analogiche possono essere collegate a svariati dispositivi Possibilità di creare anelli di massa Possibilità di generare scariche ambientali o originate da guasti L isolamentogalvanicoconsente Lisolamento consente di proteggere cose e persone da questi tipi di problemi Esempio con amplificatore di isolamento

15 uscite analogiche Conversione D/A Principio di funzionamento dei convertitori D/A Si utilizza la rappresentazione binaria del numero da convertire per aprire/chiudere interruttori elettronici e in questo modo generare una tensione ad esso proporzionale Ampia gamma, realizzati con differenti tecnologie Bipolari CMOS BiMOS Realizzazioni in forma Discreta Monolitica

16 uscite analogiche Conversione D/A a resistenze pesate Convertitori D/A aresistenze pesate Esempio a 5 bit con riferimento al numero binario (±SS 4 S 3 S 2 S 1 S 0 ) Risulta S3 S2 S1 S V 0 0 = ± VR S V ( ) = ± R 2 S4 + 2 S3 + 2 S2 + 2 S1 + S0 16 Soluzione poco pratica per conversioni a molti bit eccessiva dispersione dei valori delle resistenze irrealizzabile sia in forma discreta che integrata Impedenza di ingresso al convertitore variabile oscillazioni alim.

17 uscite analogiche Conversione D/A a scala invertita Soluzioni con reti a scala Basati solo su due valori di resistenza R e 2R Convertitore a scala invertita R R = R = R = R = 1 = = R 5 R R = R

18 uscite analogiche Conversione D/A a scala invertita Converte il numero binario (S 2S 1S 0) in V ( ) R Rr 2 V0 = Rr it = 2 S2 + 2S1 + S0 24 R Si noti che la corrente che entra nei nodi A, B e C vede due impedenze verso massa uguali, qualsiasi sia la posizione dei commutatori, e pari a 2R, essendo il nodo D sull ingresso invertente dell operazionale l una massa virtuale, per cui si divide in due parti uguali Ogni commutazione a 1 devia quindi verso il ramo di uscita una corrente di peso proporzionale al proprio La somma di tutte le correnti che fluiscono in R r fornisce la tensione di uscita

19 uscite analogiche Conversione D/A a scala L impedenza di ingresso al convertitore è costante e pari a 3R, eliminando oscillazioni della tensione di alimentazione Convertitori a scala sono usati per risoluzioni fino a 10 o 12 bit, mentre per risoluzioni più elevate si usano tecniche miste tensione di riferimento generata con un convertitore a resistenze pesate, pilotato dai bit più significativi Sono diffusi convertitori dotati di amplificatore di uscita e di generatore di riferimento i già integrati ti Alcune soluzioni presentano anche un registro in grado di memorizzare il valore digitale di comando

20 ingressi e uscite digitali introduzione I segnali digitali (logici, booleani, discreti) sono i più diffusi nei sistemi di controllo Normalmente sono forniti da interruttori meccanici o elettronici Segnale sotto forma di Informazione ohmica (stato aperto/chiuso) Livello di tensione Se necessario, il segnale deve essere tradotto tt in due livelli di tensione compresi in due bande 0/1

21 ingressi e uscite digitali introduzione Sono inoltre necessarie operazioni di filtraggio e di isolamento galvanico Si dividono in due categorie principali: p Segnali di stato Segnali da contare Uscite fornite come due possibili livelli di tensione Uscite realizzate con relay elettromeccanici switch allo stato solido Transistor, SCR (Silicon Controlled Rectifier), TRIAC

22 ingressi e uscite digitali introduzione SCR sono dispositivi allo stato solido che agiscono come interruttori molto veloci Impiegati per la modulazione di correnti elevate Si controlla solo l accensione Lo spegnimento interviene quando la tensione alternata che lo pilota passa per lo zero TRIAC sono simili agli SCR ma offrono la possibilità di comandare anche l istante di spegnimento

23 ingressi e uscite digitali Condizionamento Condizionamento degli ingressi digitali Adattamento Isolamento galvanico Adattamento di segnali digitali provenienti da interruttori alimentati con tensioni alto livello si realizza con partitori di tensione Se l interruttore non è alimentato (si dice pulito ) si dovrà aggiungere una tensione per l alimentazione del contatto Nei contatti meccanici è necessario far scorrere correnti almeno di 20mA per impedirne l ossidazione

24 ingressi e uscite digitali Condizionamento Elevato livello di tensione di alimentazione per Aumentare il rapporto segnale/rumore Compensare eventuali cadute di tensione sui cavi Successivamente si deve ridurlo per renderlo compatibile con i circuiti di acquisizione

25 ingressi e uscite digitali Condizionamento Esempi con ingressi TTL a) Adattamento di un contatto alimentato b) Alimentazione, adattamento e isolamento galvanico a fotoaccoppiatore di un contatto pulito c) Adattamento e isolamento galvanico a relay di un contatto alimentato

26 ingressi e uscite digitali Condizionamento Isolamento galvanico utile e spesso necessario per motivi di sicurezza Contatto accidentale con tensioni elevate Scariche accidentali Esempi a) Isolamento a relay b) Doppio isolamento a fotoaccoppiatore e relay

27 protezioni Generalità Protezioni sono necessarie su tutti i punti di collegamento di un sistema di acquisizione Tensioni elevate (surge) possono giungere sugli ingressi e sulle uscite danneggiando i relativi circuiti elettronici Cause disparate: Fulmini Campi magnetici molto intensi Scariche di elettricità statica Contatti accidentali con linee ad alta tensione Errori di connessione!

28 protezioni Generalità Esempi basati su Soppressori di transienti (varistori): b) Diodi Zener: a) Soppressori Utili per protezione di tensioni impulsive Dimensionati in base allivellodi livello energia da dissipare Veloci e poco costosi

29 protezioni Generalità Diodi Zener hanno comportamenti simili ai varistori ma possono dissipare energie inferiori Con riferimento allo schema a), le due resistenze di egual valore limitano le correnti negli Zener La potenza dissipabile dagli Zener e dalle resistenze determina la massimaenergia sopportabile senza rotture Sia i diodi Zener che i varistori esibiscono correnti di fuga che, sepur molto basse, vanno considerate quando si trattano segnali a basso livello

30 protezioni Generalità Fusibili forniscono protezioni a basso costo Devono essere ripristinati dopo il loro intervento tempi lunghi rispetto al ripristino automatico Le protezioni si possono avvalere anche di condensatori di tipo antinduttivo Usati per tagliare i disturbi ad alta frequenza Possono essere usati sia su segnali analogici che digitali

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