V ITI INFORMATICA CORSO DI SISTEMI a.s. 2012/13. MODULO 3 Sistema di acquisizione e distribuzione dati

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1 V ITI INFORMATICA CORSO DI SISTEMI a.s. 2012/13 MODULO 3 Sistema di acquisizione e distribuzione dati U.D.3.1 Schema SAD/SDD monocanale U.D.3.2 I trasduttori: proprietà e classificazioni U.D.3.3 Campionamento e quantizzazione: circuito S/H e teorema di Shannon U.D.3.4 Convertitori A/D U.D.3.5 Elaboratore a microprocessore U.D.3.6 Convertitori D/A U.D.3.7 Attuatori: proprietà e classificazioni U.D.3.8 Schema di un SAD/SDD multicanale U.D.3.9 Mux e Demux analogici U.D.3.10 Mux e Demux digitali Obiettivi del modulo: Conoscere e saper analizzare un sistema di acquisizione e distribuzione dati e di alcuni componenti della catena. Applicazioni pratiche: Schema di analisi di un sistema di autoregolazione della temperatura. rev febbraio 2013

2 SOMMARIO SOMMARIO ACQUISIZIONE E DISTRIBUZIONE DATI (SAD/SDD) Generalità Elementi della catena di acquisizione dati Il trasduttore GENERALITA I sensori Classificazione Parametri caratteristici dei trasduttori Campo d impiego La linearità La non linearità La stabilità La precisione Il potere risolutivo La ripetitività La velocità di risposta Il rumore L isteresi Principi di funzionamento I trasduttori generatori di tensione o corrente Trasduttori attivi e passivi Le termocoppie Effetto Seebeck Il generatore di Hall Forza elettromagnetica Fenomeni piezoelettrici rev febbraio 2013 Pagina 2 di 126

3 Fenomeni fotoelettrici FOTODIODO PIN I FOTOTRANSISTORI I fototriac I TRASDUTTORI A VARIAZIONE DI RESISTENZA Il condizionamento Il filtro Circuito di campionamento Sample/Hold Campionamento Conversione analogico digitale Velocità di campionamento I convertitori D/A Interfaccia dei convertitori AD e D/A Architettura generale di acqusizione e distribuzione dati SAD monocanale SAD multicanale Multiplexer digitale SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DATI (SDD) Sistema di distribuzione ad un solo canale Interfaccia sistema µp Convertitore D/A Logica di controllo Filtro Preamplificatore di potenza Sistema di distribuzione multicanale I CONVERTITORI ANALOGICO DIGITALI Esempio La conversione Quantizzazione rev febbraio 2013 Pagina 3 di 126

4 Parametri dell A/D Passo di quantizzazione Parametri caratteristici degli ADC La risoluzione L errore di quantizzazione L errore Tempo di conversione TIPI DI CONVERTITORI A/D CONVERTITORI PARALLELI (FLASH) FUNZIONAMENTO COMPARATORI CON USCITA ALTA CONVERTITORI A REAZIONE CONVERTITORE A GRADINATA Funzionamento del convertitore a GradinataErrore. Il segnalibro non è definito CONVERTITORE A BILANCIAMENTO CONTINUO CONVERTITORE AD APPROSSIMAZIONI SUCCESSIVE FUNZIONAMENTO ESEMPIO DI ADC A 4 BIT CONVERTITORI AD INTEGRAZIONE I CONVERTITORI DIGITALI ANALOGICI PRINCIPIO DI CONVERSIONE TENSIONE DI RIFERIMENTO LIVELLO DI USCITA PARAMETRI CARATTERISTICI LA RISOLUZIONE MASSIMO VALORE DELLA TENSINE DI USCITA ERRORI ERRORE DI LINEARITA ERRORE DI OFFSET rev febbraio 2013 Pagina 4 di 126

5 ERRORE DI GUADAGNO I TIPI DI CONVERTITORI D/A CONVERTITORE A RESISTENZE PESATE STRUTTURA DEL CONVERTITORE A RESISTENZE PESATE FUNZIONAMENTO LIMITI DEL CONVERTITORE A RESISTENZE PESATE CONVERTITORE D/A CON RETE DI TIPO R-2R CONVERTITORE R-2R CONVERTITORE A RETE R-2R A RETE INVERTITA DESCRIZIONE VANTAGGIO DELLA RETE INVERTITA SISTEMI DI CONTROLLO SISTEMA DI CONTROLLO DELLA TEMPERATURA APPENDICE DI ELETTRONICA DIGITALE CIRCUITI SEQUENZIALI LATCH TIPO S - R CIRCUITO ANTIRIMBALZO LATCH S - R CON ABILITAZIONE FLIP FLOP J - K FLIP FLOP MASTER SLAVE FLIP FLOP TIPO D APPENDICE DI ELETTRONICA Sample and hold MOSFET Amplificatore operazionale Descrizione Schema interno Amplificatore operazionale ideale Amplificatore invertente rev febbraio 2013 Pagina 5 di 126

6 Amplificatore non invertente Inseguitore di tensione o buffer Amplificatore differenziale ideale Amplificatore operazionale reale Offset di tensione e di corrente Applicazioni circuitali Integratore/derivatore Comparatore Comparatore con isteresi Trigger di Schmitt Invertente: Trigger Schmitt Non Invertente: Sommatori Teorema del campionamento di Nyquist-Shannon Spiegazione Multiplexer rev febbraio 2013 Pagina 6 di 126

7 1. ACQUISIZIONE E DISTRIBUZIONE DATI (SAD/SDD) 1.1. Generalità rev febbraio 2013 Pagina 7 di 126

8 SAD: Per sistema di acquisizione dati, si deve intendere qualsiasi sistema in grado di rilevare e memorizzare grandezze analogiche e/o digitali. SDD: Consiste nell inviare segnali analogici o digitali ad attuatori come motori,dispositivi riscaldati, relè, teleruttori rev febbraio 2013 Pagina 8 di 126

9 1.2. Elementi della catena di acquisizione dati Sensore Filtro Campinamento Condizionamento Conversione Trasduttore Condizionatore filtro mux S/H A/D CPU rev febbraio 2013 Pagina 9 di 126

10 Il trasduttore Esistono due tipi di trasduttori, quelli attivi che in corrispondenza di un ingress o generano autonomamente l'uscita. Invece i trasduttori passivi hanno bisogno di un alimentazione di eccitazione per poter generare l'uscita. Per poter scegliere il sensore migliore per un applicazione bisogna tener conto di alcuni parametri: la funzione di trasferimento, cioè la relazione tra la grandezza da acquisire e l'uscita del sensore stesso; l'intervallo della linearità, deve essere così grande da consentire una buona funzione di trasferimento; la sensibilità: esprime il rapporto fra la variazione di grandezza di ingresso e la variazione di quella di uscita; l'errore di misura, rappresenta l'errore tra la grande zza reale e quella misurata; le caratteristiche dinamiche che rappresentano il comportamento del sensore se l'ingresso compie brusche variazioni; il tipo di segnale di uscita desiderato; in base ad esso si può scegliere di utilizzare un sensore resistivo i nvece di uno di tensione, oppure un sensore ad uscita analogica al posto di una digitale GENERALITA rev febbraio 2013 Pagina 10 di 126

11 I sensori Classificazione rev febbraio 2013 Pagina 11 di 126

12 rev febbraio 2013 Pagina 12 di 126

13 Parametri caratteristici dei trasduttori Campo d impiego La linearità La non linearità rev febbraio 2013 Pagina 13 di 126

14 FIG. 2.1 Caratteristica IN/OUT La stabilità La precisione rev febbraio 2013 Pagina 14 di 126

15 Il potere risolutivo La ripetitività La velocità di risposta Il rumore L isteresi rev febbraio 2013 Pagina 15 di 126

16 Principi di funzionamento I trasduttori generatori di tensione o corrente Trasduttori attivi e passivi Le termocoppie Effetto Seebeck FIG Termocoppie rev febbraio 2013 Pagina 16 di 126

17 Il generatore di Hall FIG. 2.3 Effetto Hall rev febbraio 2013 Pagina 17 di 126

18 Forza elettromagnetica Fenomeni piezoelettrici rev febbraio 2013 Pagina 18 di 126

19 Fenomeni fotoelettrici FIG. 2.4 Caratteristica fotoresistente rev febbraio 2013 Pagina 19 di 126

20 FIG. 2.5 Caratteristica del fotodiodo FIG. 2.6 Caratteristica celle e fotodiodo PIN rev febbraio 2013 Pagina 20 di 126

21 FOTODIODO PIN I FOTOTRANSISTORI FIG Fototransistor rev febbraio 2013 Pagina 21 di 126

22 I fototriac FIG Fototriac I TRASDUTTORI A VARIAZIONE DI RESISTENZA Resistenza con metalli Resistenze RTD rev febbraio 2013 Pagina 22 di 126

23 Termistori PTC e NTC FIG. 2.9 Caratteristica di termistori rev febbraio 2013 Pagina 23 di 126

24 Linearizzazione della caratteristica rev febbraio 2013 Pagina 24 di 126

25 Linearizzazione della caratteristica Trasduttori a variazione di induttanza rev febbraio 2013 Pagina 25 di 126

26 Legge di Hopkinson Autoinduzione rev febbraio 2013 Pagina 26 di 126

27 Mutuainduzione rev febbraio 2013 Pagina 27 di 126

28 Trasduttori di capacità rev febbraio 2013 Pagina 28 di 126

29 Il condizionamento Il condizionamento è una parte della catena che può essere composta da più parti, che non sono sempre presenti. Questi circuiti aggiuntivi possono essere: -amplificatore -sommatore di offset positivo o negativo -ecc... Essi servono a modificare il segnale da convertire in modo da farlo rientrare nei parametri del convertitore, per poter aver così un segnale che non crei errori di nessun genere. È necessario utilizzare circuiti di condizionamento la cui funzione è fondamentale per tutti i blocchi successivi della catena di acquisizione. Infatti, un corretto condizionamento assicura un buon trasferimento dei segnali provenienti dai trasduttori al convertitore ed elimina i disturbi ad esso associati. I circuiti di condizionamento svolgono le seguenti funzioni: conversione corrente - tensione, amplificazione e traslazione di livello, isolamento, filtraggio, linearizzazione Il filtro Il filtro posizionato dopo il sensore non permette alle armoniche ad alta frequenza di passare, permettendo un campionamento migliore per il noto teorema di Shannon Circuito di campionamento Il circuito di campionamento (per esempio il sample and hold 2 ) permette alla parte di circuito interessata di avere il tempo sufficiente per convertire il segnale 1 Il teorema afferma che, sotto le opportune ipotesi, la minima frequenza di campionamento necessaria per evitare ambiguità nella ricostruzione del segnale è pari al doppio della banda (ovvero pari ad almeno il doppio della frequenza della componente armonica a frequenza più alta). rev febbraio 2013 Pagina 29 di 126

30 campionato. L'importanza di questo circuito è molto grande perchè permette molto semplicemente il dimensionamento del tempo di campionamento per migliorar e la conversione. Il convertitore A/D (o DAC) trasforma i dati che rappresentano i valori della grandezza analogica in diversi instanti in una successione di bit. Per effettuare questa operazione il convertitore A/D impiega un tempo Tc indicato come TEMPO DI COVERSIONE. Di conseguenza, prima di applicare al convertitore il nuovo valore della grandezza da digitalizzare, è necessario che sia trascorso un tempo pari a Tc in modo che la conversione del dato precedente sia terminata. Cià risulta importante soprattutto per le grandezze che variano velocemente nel tempo perché potrebe presentarsi un nuovo valore da convertire prima che sia finita la conversione precedente Sample/Hold Il blocco S/H è necessario solamente se la variazione del dato è molto veloce, è in grado di memorizzare il valore assunto dal segnale in un determinato istante (fase di sample) e mantenerlo costante all ingresso del convertitore, per tutto il tempo impiegato ad effettuare la conversione. Quando la variazione del dato è lenta, si può fare a meno del blocco S/H e il segnale può essere applicato all ingresso del convertitore A/D. 2 In elettronica, il circuito sample and hold (abbreviato S&H) è un campionatore utilizzato come interfaccia tra un segnale analogico che varia velocemente nel tempo e un dispositivo successivo, spesso un convertitore analogico-digitale (ADC, analog to digital converter). L'effetto di questo circuito è di mantenere il valore analogico costante per il tempo necessario al convertitore o ad altri circuiti successivi per compiere delle operazioni sul segnale. rev febbraio 2013 Pagina 30 di 126

31 Conversione A/D rev febbraio 2013 Pagina 31 di 126

32 Campionamento In figura è mostrato un esempio: nella fase di Sample vengono prelevati i valori della grandezza analogica v(t) negli istanti T1, T2, T3 e T4: I valori assunti dalla v(t) sono indicati come CAMPIONI. FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO rev febbraio 2013 Pagina 32 di 126

33 Influenza di fc sulla ricostruzione di un segnale campionato rev febbraio 2013 Pagina 33 di 126

34 TEOREMA DEL CAMPIONAMENTO O DI SHANNON rev febbraio 2013 Pagina 34 di 126

35 Conversione analogico digitale Velocità di campionamento I convertitori D/A La conversione è la parte della catena di acquisizione dati in cui il dato analogico viene convertito in dato digitale corrispondente. Questa conversione è eseguita dal ADC (Convertitore Analogico- Digitale), il quale ha in ingresso il dato analogico che è già passato attraverso le fasi precedenti mentre in uscita ha il dato digitale su N bit con un errore di un LSB in più o in meno. rev febbraio 2013 Pagina 35 di 126

36 1.2. Interfaccia dei convertitori AD e D/A I moderni convertitori A/D e D/A sono realizzati in modo tale da poter essere collegati direttamente con i microprocessori per implementare sistemi di acquisizione o distribuzione dati. Normalmente il convertitore è una periferica di INPUT/OUTPUT, mentre sia il SAMPLE-HOLD che il MULTIPLEXER analogico sono periferiche di OUTPUT. Nella catena il convertitore è un elemento che deve essere sempre presente, mentre possono mancare o il S/H o il MUX o entrambi. Gli altri componenti (trasduttore, condizionatore del segnale o filtro bassa basso), non sono normalmente controllati dalla CPU e svolgono la loro azione direttamente sul segnale analogico da acquisire. Spesso il dato analogico acquisito, trasformato in dato digitale o portato all interno della CPU, dopo opportune elaborazioni, deve essere trasformato di nuovo in segnale analogico atto a pilotare dispositivi esterni. In tal caso si rende necessario una CATENA DI DISTRIBUZIONE DATI che trasformi opportunamente il valore digitale in uno analogico corrispondente Architettura generale di acqusizione e distribuzione dati SAD monocanale È composto da: un sistema di misura e contatto con il mondo fisico,in grado di rilevare grandezze fisiche come temperatura,velocità,ecc; un sistema con un unità centrale che fornisce i segnali di controllo e temporizzazione per i sottosistemi di acquisizione e di distribuzione. L unità centrale esegue operazioni di elaborazione e memorizzazione. un sottosistema che provvede a generare segnali di uscita che devono comandare motori,relè ecc.. rev febbraio 2013 Pagina 36 di 126

37 SAD multicanale Quando è necessario rilevare più grandezze, il sistema di acquisizione diviene più complesso, composto da catene di acquisizione in parallelo e dipendenti una dalle altre almeno fino al filtro P.B..Nella figura riportata,le frequenze di campionamento non sono elevate. Questa soluzione prevede un unico circuito S/H ed un solo convertitore A/D, la selezione del canale è resa possibile dal multiplexer analogico (MUX), schematizzato con un commutatore elettronico a più ingressi ed una sola uscita Multiplexer digitale Un mux digitale è costituito da un certo numero di interruttori elettronici, realizzati o in tecnologia JFET o CMOS o MOSFET che devono presentare elevata resistenza nello stato di off (aperti) e basso in quello di on (chiusi). uscita. Le uscite degli interruttori sono collegate tutte in parallelo e portate verso l esterno come unica Per mezzo di una decodifica interna è possibile chiudere un solo interruttore per volta portando cosi in uscita il solo segnale presente sull interruttore che viene di volta in volta chiuso. Spesso il MUX è dotato anche di un ingresso di abilitazione che può disattivare tutti gli ingressi. rev febbraio 2013 Pagina 37 di 126

38 2. SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DATI (SDD) 1.1. Sistema di distribuzione ad un solo canale Nella figura riportata si presuppone che si debba agire su un solo attuatore per il controllo di una determinata grandezza fisica (velocità, posizione ). In tal caso i dati digitali elaborati dal sistema a microprocessore sono trasformati in dati analogici con un convertitore D/A e, dopo essere stati opportunamente filtrati se necessario, sono amplificati ed inviati all attuatore Interfaccia sistema µp Convertitore D/A Se il convertitore D/A è già dotato di LATCH 3 interni, il dato sul bus dati del sistema a microprocessore è inviato al DAC (convertitore D/A ) altrimenti si utilizza un interfaccia d uscita costituita da flip-flop di tipo D. La utilizzazione dei LATCH è legata alla necessità di dover mantenere in uscita il dato fornito dalla CPU per tempi più o meno lunghi. Il convertitore effettua la trasformazione digitale-analogica del dato a N bit memorizzato dai LATCH. 3 Vedi appendice rev febbraio 2013 Pagina 38 di 126

39 Logica di controllo Normalmente la logica di controllo è costituita da semplici circuiti di decodifica,e in alcuni casi di temporizzazione,che debbono fornire i segnali di abilitazione per il circuito di LATCH dal convertitore D\A Filtro Tenendo presente che il DAC fornisce in uscita un segnale a gradini e non un vero segnale analogico,è necessario utilizzare un filtro passa-basso per ricostruire la grandezza analogica in modo appropriato,eliminando le componenti di alta frequenza dovute alle discontinuità presenti nel segnale. Il filtro deve possedere una curva di risposta il più possibile piatta all interno della sua banda passante, e la frequenza di taglio, deve essere tale da lasciare transitare tutte le frequenze necessarie per una buona ricostruzione del segnale Preamplificatore di potenza Il segnale in uscita dal convertitore o dal filtro non è in grado di controllare direttamente l attuatore che in genere è un dispositivo che richiede per il funzionamento correnti e tensioni elevate. Occorre eseguire su di esso un processo di amplificazione. A volte si procede prima ad una preamplificazione e poi ad un amplificazione di potenza. La gamma di dispositivi di amplificazione utilizzati è molto varia e dipende in particolare dal tipo di attuatore da controllare. Si possono utilizzare amplificatori a BJT, MOSFET di potenza a SCR o TRIAC, o di tipo integrato con specifiche caratteristiche. rev febbraio 2013 Pagina 39 di 126

40 1.2. Sistema di distribuzione multicanale In questa struttura vengono utilizzati tanti convertitori quanti sono gli attuatori da controllare. Se vengono adoperati DAC con LATCH interno, la logica di controllo deve fornire per ciascuno di essi un segnale distinto che abiliti la memorizzazione del dato presente sul BUS DATI del sistema sul convertitore a cui è destinato. I dati da convertire per ciascun DAC possono essere aggiornati dal sistema in modo sequenziale o casuale. Nel caso in cui i LATCH siano esterni al convertitore i segnali di controllo non agiscono direttamente sul DAC ma sui LATCH stessi. La struttura di una catena a multicanale è semplificata se vengono utilizzati integrati che contengono al loro interno più convertitori D/A. Caratteristiche dei convertitori D/A I parametri da considerare per valutare la prestazione di un convertitore D/A sono: Risoluzione: è il numero di livelli di tensione o di corrente distinti che il convertitore è in grado di produrre in uscita. Tempo di assestamento: è il tempo necessario perché dopo un cambiamento del codice d ingresso,l uscita del DAC si stabilizzi entro una specifica banda di errore. Glitch: è un disturbo di forma impulsiva che si presenta in uscita quando c è la variazione del codice in ingresso. rev febbraio 2013 Pagina 40 di 126

41 Errori di offset: è l errore dovuto allo scostamento del valore ideale zero in uscita quando in ingresso è applicato il codice digitale zero. Errore di guadagno: provoca una variazione della pendenza della curva di risposta del convertitore rispetto a quella ideale. Errore di non linearità integrale: è lo spostamento dell uscita dalla retta tra lo zero ed il fondo scala rev febbraio 2013 Pagina 41 di 126

42 3. I CONVERTITORI ANALOGICO DIGITALI La conversione è la parte della catena di acquisizione dati in cui il dato analogico viene convertito in dato digitale corrispondente. Questa conversione è eseguita dal ADC (Convertitore Analogico-Digitale), il quale ha in ingresso il dato analogico che è già passato attraverso le fasi precedenti mentre in uscita ha il dato digitale su N bit con un errore di un LSB in più o in meno. LSB è il bit meno significativo mentre MSB è il bit più significativo. Quindi si può notare come la precisione è dovuta dal numero di bit e dalla massima ampiezza del segnale di ingresso, infatti, più valori di uscita ci sono in un arco di valori più il campionamento sarà preciso. In riferimento ai valori che il segnale può assumere in un intervallo finito, distinguiamo tre tipi di segnale: Segnale logico binario: può assumere solo due valori, o e 1 (stati); Segnale digitale: può assumere solo un numero discreto di valori equidistanti tra loro in un intervallo finito; Segnale analogico: può assumere tutti i possibili valori in un intervallo finito. Un convertitore analogico digitale ADC svolte principalmente due funzioni: Quantizzazione del segnale di ingresso Codifica in un segnale digitale il valore quantizzato N V QUANTIZZATORE CODIFICATORE M BINARIO Il quantizzatore misura V mediante una quantità V Q detta passo di quantizzazione e in uscita fornisce l intero più prossimo al rapporto. Il valore del passo di quantizzazione è legato all ampiezza dell intervallo, cioè è funzione del numero M di bit d uscita e della tensione di fondo scala V FS. Minore è il passo di quantizzazione e minore è l errore associato al processo di quantizzazione. Ad una tensione V viene infatti associato un valore V N. Con un approssimazione che risulta di V V N =N V Q rev febbraio 2013 Pagina 42 di 126

43 Esempio Supponiamo un convertitore a 2 bit con una dinamica in ingresso pari a 0-4 V. La suddivisione degli intervalli sarà come quella rappresentata in figura. Il passo di quantizzazione risulta: Il V MAX rappresentabile risulta (diversamente da V FS ) Un altro problema del che riguarda i convertitori analogico digitali è legato al fatto che la conversione del dato in formato digitale prevede un tempo di conversione finito t c per cui per un corretto funzionamento del circuito si suppone che il valore di tensione rimanga costante per il periodo indicato. All atto pratico, a monte del circuito quantizzatore si pone un sanple e hold in modo da convertire un valore fisso campionato ad un dato istante. V SANPLE E HOLD V C QUANTIZZATORE N CODIFICATORE M BINARIO Un Convertitore Analogico/Digitale consente di tradurre il potenziale di un segnale elettrico in un valore numerico. I convertitori Analogico/Digitali possono essere paralleli o seriali; inoltre spesso implementano internamente un multiplexer 4 analogico (collegato prima del circuito S/H o del convertitore) che consente di ottenere più canali analogici d'ingresso, selezionabili. 4 Il multiplexer è un circuito in grado di trasferire in uscita uno dei vari dati presenti in ingresso, cioè il dato scelto mediante un apposito selettore; il multiplexer ha quindi più ingressi, di solito 8 ingressi come l'integrato 74LS151, ed una sola uscita. Lo possiamo considerare l'equivalente elettronico di un selettore manuale a manopola la cui uscita Y assume il valore di uno degli ingressi in base alla posizione del selettore, man mano che esso ruota. rev febbraio 2013 Pagina 43 di 126

44 Essendo l'operazione di conversione A/D più complessa e quindi più lenta della conversione D/A, ogni convertitore ADC è caratterizzato dalla velocità massima di campionamento/conversione, che si misura in sps 5, che può assumere valori tipicamente compresi fra 50 sps e 200Msps. Si possono misurare tensioni unipolari oppure bipolari (con segno, quindi positive o negative), per cui possono essere richiesti uno o due riferimenti di tensione (valore massimo e minimo di tensione misurabile) che possono essere esterni all'integrato oppure interni. Esistono diverse tipologie di convertitori ADC, di cui i più importanti sono illus trati nei paragrafi seguenti. 5 sps è l'acronimo di "Sample per Second". Nella teoria dei segnali rappresenta l'unita di misura della frequenza di campionamento. Nella conversione dei segnali analogico/digitali, un segnale analogico tempo continuo viene convertito in una serie di campioni tempodiscreti di periodicità 'Ts', ogni campione prende il nome di sample, il numero di campioni per unità di tempo (secondo) prende il nome di frequenza di campionamento. Tipicamente sono utilizzati multipli del sps, in particolare : ksps (10 3 * sps) e Msps (10 6 * sps). rev febbraio 2013 Pagina 44 di 126

45 1.3. La conversione Quantizzazione rev febbraio 2013 Pagina 45 di 126

46 FIG Caratteristica di trasferimento La stessa corrispondenza tra intervalli e codici può essere rappresentata con la tabella di conversione Tabella di conversione rev febbraio 2013 Pagina 46 di 126

47 Parametri dell A/D Passo di quantizzazione rev febbraio 2013 Pagina 47 di 126

48 1.4. Parametri caratteristici degli ADC La risoluzione rev febbraio 2013 Pagina 48 di 126

49 ESEMPIO L errore di quantizzazione rev febbraio 2013 Pagina 49 di 126

50 L errore rev febbraio 2013 Pagina 50 di 126

51 FIG Andamento dell errore rev febbraio 2013 Pagina 51 di 126

52 FIG Errore con valore esatto al centro dell intervallo Tempo di conversione rev febbraio 2013 Pagina 52 di 126

53 FIG Tempo di conversione e campionamento rev febbraio 2013 Pagina 53 di 126

54 ESEMPIO rev febbraio 2013 Pagina 54 di 126

55 1.5. TIPI DI CONVERTITORI A/D CONVERTITORI PARALLELI (FLASH) rev febbraio 2013 Pagina 55 di 126

56 FIG ADC flash rev febbraio 2013 Pagina 56 di 126

57 FUNZIONAMENTO rev febbraio 2013 Pagina 57 di 126

58 COMPARATORI CON USCITA ALTA Possiamo così costruire la seguente tabella (o matrice di conversione): TABELLA 1.2 Matrice di conversione dell AD flash rev febbraio 2013 Pagina 58 di 126

59 rev febbraio 2013 Pagina 59 di 126

60 CONVERTITORI A REAZIONE CONVERTITORE A GRADINATA Sono formati internamente da un DAC, un contatore in salita ed un comparatore: la conversione inizia posizionando il circuito di sample/hold in modalità HOLD, inizializzando il contatore a 0 e procedente all'incremento del contatore (e quindi della tensione all'uscita del DAC) finché il comparatore commuta; viene forn ita in uscita il valore del contatore. Si noti che il caso peggiore corrisponde alla misurazione della tensione massima, in quanto è necessario attendere 2n clock affinché termini la conversione. Lo schema di principio più semplice del convertitore a gradi nata è il seguente: In questo ADC il circuito di logica sequenziale è un contatore binario, pilotato da un clock. Ad ogni impulso di clock il contenuto del contatore binario si aggiorna; il numero contenuto nel contatore passa al DAC. Quando la gradinata prodotta dal DAC raggiunge e supera il valore di tensione Vi, l uscita del comparatore va a zero per cui blocca a zero l uscita della porta AND, impedendo al clock di raggiungere il contatore binario. In tal modo l uscita del contatore binario rimane cong elata. Per far partire una nuova conversione occorre resettare il contatore binario mediante il segnale di RESET. rev febbraio 2013 Pagina 60 di 126

61 Questo tipo di convertitore presenta come problema fondamentale quello del tempo impiegato per la conversione che è elevato ed inoltre è mol to variabile a seconda della tensione da convertire. Infatti tanto più è elevato il valore di tale tensione tanto maggiore sarà il numero di periodi di clock necessari perché l uscita del DAC giunga a superare la tensione d ingresso. Per sicurezza chi prog etta il circuito in cui è inserito l ADC, per evitare problemi di sincronizzazione dovrà considerare prudenzialmente il tempo massimo possibile che coincide con il tempo necessario affinché il contatore giunga a contare il numero massimo possibile che è 2n -1. rev febbraio 2013 Pagina 61 di 126

62 CONVERTITORE A BILANCIAMENTO CONTINUO FIG Convertitore a bilanciamento continuo rev febbraio 2013 Pagina 62 di 126

63 CONVERTITORE AD APPROSSIMAZIONI SUCCESSIVE rev febbraio 2013 Pagina 63 di 126

64 FIG Convertitore ad approssimazioni successive FUNZIONAMENTO rev febbraio 2013 Pagina 64 di 126

65 ESEMPIO DI ADC A 4 BIT rev febbraio 2013 Pagina 65 di 126

66 TABELLA 1.3 Componenti commerciali FIG Generazione del codice rev febbraio 2013 Pagina 66 di 126

67 CONVERTITORI AD INTEGRAZIONE (A doppia rampa) FIG Convertitore ad integrazione rev febbraio 2013 Pagina 67 di 126

68 FIG Convertitore V/T rev febbraio 2013 Pagina 68 di 126

69 rev febbraio 2013 Pagina 69 di 126

70 4. I CONVERTITORI DIGITALI ANALOGICI FIG Convertitore D/A rev febbraio 2013 Pagina 70 di 126

71 4.1. PRINCIPIO DI CONVERSIONE rev febbraio 2013 Pagina 71 di 126

72 rev febbraio 2013 Pagina 72 di 126

73 ESEMPIO rev febbraio 2013 Pagina 73 di 126

74 FIG rev febbraio 2013 Pagina 74 di 126

75 TENSIONE DI RIFERIMENTO rev febbraio 2013 Pagina 75 di 126

76 LIVELLO DI USCITA rev febbraio 2013 Pagina 76 di 126

77 ESEMPIO FIG rev febbraio 2013 Pagina 77 di 126

78 4.2. PARAMETRI CARATTERISTICI LA RISOLUZIONE rev febbraio 2013 Pagina 78 di 126

79 MASSIMO VALORE DELLA TENSINE DI USCITA ERRORI ERRORE DI LINEARITA rev febbraio 2013 Pagina 79 di 126

80 FIG Errore di linearità ERRORE DI OFFSET FIG Errore di offset rev febbraio 2013 Pagina 80 di 126

81 TABELLA 1.5 Tabella errore ERRORE DI GUADAGNO rev febbraio 2013 Pagina 81 di 126

82 FIG Errore di guadagno rev febbraio 2013 Pagina 82 di 126

83 4.3. I TIPI DI CONVERTITORI D/A CONVERTITORE A RESISTENZE PESATE FIG Convertitore a R pesate STRUTTURA DEL CONVERTITORE A RESISTENZE PESATE rev febbraio 2013 Pagina 83 di 126

84 FUNZIONAMENTO rev febbraio 2013 Pagina 84 di 126

85 ESEMPIO FIG rev febbraio 2013 Pagina 85 di 126

86 LIMITI DEL CONVERTITORE A RESISTENZE PESATE CONVERTITORE D/A CON RETE DI TIPO R-2R CONVERTITORE R-2R FIG A Convertitore R-2R rev febbraio 2013 Pagina 86 di 126

87 FIG 1.49 B Convertitore R-2R a 4 bit FIG A Resistenza vista da A2 FIG B Resistenza vista dal deviatore rev febbraio 2013 Pagina 87 di 126

88 rev febbraio 2013 Pagina 88 di 126

89 ESEMPIO rev febbraio 2013 Pagina 89 di 126

90 CONVERTITORE A RETE R-2R A RETE INVERTITA Lo schema del convertitore D/A a rete R-2R invertita è riportato in figura FIG Convertitore a rete R-2R DESCRIZIONE FIG Resistenza nel nodo A2 rev febbraio 2013 Pagina 90 di 126

91 rev febbraio 2013 Pagina 91 di 126

92 ESEMPIO VANTAGGIO DELLA RETE INVERTITA rev febbraio 2013 Pagina 92 di 126

93 5. SISTEMI DI CONTROLLO Il sistema di controllo è un insieme di circuiti elettronici ed elettrici in grado di tenere sotto controllo una determinata grandezza fisica, come la temperatura, la pressione, uno spostamento. In pratica si fissa un certo andamento che la grandezza deve avere nel tempo e si realizzano i circuiti in modo che tale andamento avvenga nel tempo come previsto. Lo schema a blocchi di un generico sistema di controllo può essere il seguente: In tale schema notiamo: 1. il trasduttore, che ha il compito di trasformare la grandezza fisica in una tensione o in una corrente elettrica. Sono trasduttori: il termostato e il termistore, che variano la propria resistenza al variare della temperatura; la dinamo tachimetrica, che dà una tensione variabile con la velocità dell'asse di rotazione. 2. Il comparatore, che ha il compito di confrontare la tensione di uscita dal trasduttore V T con la tensione di riferimento V R. La tensione V R rappresenta quello che deve essere l'andamento della grandezza fisica al variare del tempo; in pratica quando si vuole che la grandezza fisica aumenti, si aumenta il valore di V R e viceversa. In uscita dal comparatore di tensione avremo una tensione positiva o nulla. Cioè, se in un dato istante la grandezza fisica ha il valore previsto da V R, il trasduttore mi dà in uscita una V T = V R, e quindi il comparatore mi dà in uscita tensione nulla, e quindi l'attuatore non verrà alimentato; se invece la grandezza fisica in un dato istante è inferiore a quella prevista da V R, si avrà una V T inferiore a V R e quindi il comparatore mi darà in uscita una tensione positiva, in modo da alimentare l'attuatore. 3. L'attuatore è un dispositivo che trasforma la corrente elettrica in grandezza fisica. Sono attuatori: resistenze di riscaldamento, motori elettrici, ecc. rev febbraio 2013 Pagina 93 di 126

94 1.1. SISTEMA DI CONTROLLO DELLA TEMPERATURA Si dice sistema di controllo della temperatura un circuito in grado di mantenere alla temperatura stabilita un determinato ambiente, che può essere un forno elettrico o una stanza. In figura è riportato un semplice circuito, nel quale si notano i seguenti componenti: 1. Il PTC 6 è un componente che varia la sua resistenza al variare della temperatura; di conseguenza mettendo il PTC nel forno esso rileva la temperatura del forno; se la temperatura del forno aumenta, si avrà un aumento della resistenza del PTC; se invece la temperatura del forno diminuisce, si ha una diminuzione della resistenza del PTC. Poiché il PTC è inserito in serie al resistore R 1, che è di valore fisso, in modo da formare un partitore di tensione, quando aumenta la resistenza del PTC, si ha anche un aumento di tensione ai capi del PTC, e quindi anche al morsetto invertente del comparatore; quando invece diminuisce la resistenza del PTC si ha una diminuzione della tensione ai capi del morsetto invertente. 2. Per generare la tensione di riferimento si utilizzano un resistore e un diodo Zener, polarizzato inversamente. Quindi, R 2 ha il compito di polarizzare il diodo D Z, il quale mantiene costante la sua tensione, che viene applicata in ingresso al morsetto non invertente del comparatore di tensione. 3. Il comparatore confronta le due tensioni di ingresso; a. se le due tensioni sono uguali l'uscita del comparatore sarà V u = 0, e quindi la base del transistor ha tensione nulla, cioè V B = 0; e quindi il transistor non conduce; b. se invece la temperatura è inferiore al valore stabilito, la tensione sul morsetto invertente sarà inferiore a quella del diodo D Z, e il comparatore mi dà in uscita una tensione positiva, polarizzando direttamente la base del transistor T che va in saturazione. Il resistore R C rappresenta una resistenza di riscaldamento del forno; in pratica maggiore è la corrente di R C maggiore sarà il suo riscaldamento. Però la corrente del resistore R C coincide con la corrente di collettore del transistor I C ; in definitiva il transistor regola la corrente di riscaldamento d 6 I sensori di temperatura si distinguono in: resistivi (RDT) (metallici o a semiconduttore), a diodo e termocoppie. Gli RTD a semiconduttore possono essere a coefficiente di temperatura negativo (NTC) positivo (PTC) I termistori NTC hanno una resistenza che dipende circa esponenzialmente dalla temperatura assoluta R(T)=R 0 e (b/t ), ed esibiscono quindi una notevole non-linearità, con una sensibilità che varia inversamente con il quadrato della temperatura assoluta T (a = R/R T = b/t 2 ). Inoltre sono soggetti a deriva temporale che è dell ordine di 10 3 /anno. I termistori offrono valori ohmici a in un intervallo vastissimo e possono avere dimensioni ridottissime (risposta molto rapida). I termistori PTC hanno un coefficiente termico costante in un limitato intervallo di temperature, con discreta sensibilità (dell ordine di 10-2 K -1 ). rev febbraio 2013 Pagina 94 di 126

95 6. APPENDICE DI ELETTRONICA DIGITALE 1.2. CIRCUITI SEQUENZIALI Si dicono circuiti combinatori i circuiti logici in cui l'uscita dipende dallo stato degli ingressi nell'istante considerato. Si dicono circuiti sequenziali i circuiti in cui l'uscita dipende non solo dallo stato degli ingressi nell'istante considerato ma anche da quello che erano gli ingressi e le uscite negli istanti precedenti quello considerato. In pratica il circuito sequenziale ricorda quello che è avvenuto nel circuito negli istanti precedenti. Un circuito logico si dice asincrono quando l'uscita si adegua allo stato degli ingressi senza attendere il consenso di un segnale di sincronismo. Un circuito si dice sincrono quando l'uscita si adegua allo stato degli ingressi solo all'arrivo di un impulso di sincronismo. Si dice clock un impulso di sincronismo in grado di stabilire l'istante preciso in cui i circuiti devono commutare. Vi sono circuiti che commutano sul fronte di salita dell'impulso di clock, oppure sul fronte di discesa dell'impulso di clock, oppure quelli che hanno bisogno dell'intero impulso di clock per poter commutare. Usiamo la seguente simbologia: circuito che commuta sul fronte positivo del clock circuito che commuta sul fronte negativo del clock rev febbraio 2013 Pagina 95 di 126

96 1.3. LATCH TIPO S - R Il latch tipo S-R è un circuito base della logica sequenziale e costituisce una elementare cella di memoria. Può essere realizzato o con due porte NOR o con due porte NAND. Lo schema elettrico e lo schema a blocchi con porte NOR sono i seguenti: Il latch S-R ha due morsetti di ingresso: il SET che pone l'uscita Q a 1; il RESET che pone l'uscita Q a zero. Vi sono due uscite, l'una l'opposto dell'altra, una la indichiamo con Q e l'altra con negato. La tabella di verità del latch S-R è la seguente: S R Q n Q n n.v. Indichiamo con Q n lo stato dell'uscita prima dell'applicazione dei segnali di ingresso e con Q n+1 lo stato dell'uscita dopo che sono stati applicati i segnali di ingresso, quindi se Q n+1 = Q n vuol dire che l'uscita è rimasta invariata, cioè se era 0 è rimane a zero, se era 1 rimane a 1. La combinazione S=1 e R=1 non è consentita in quanto non logica, quindi non valida. Utilizzando le porte NAND lo schema elettrico è il seguente: invece la tabella di verità diventa la seguente: S R Q n n.v rev febbraio 2013 Pagina 96 di 126

97 1 1 Q n 1.4. CIRCUITO ANTIRIMBALZO Una delle applicazioni del latch S - R è quella di un circuito antirimbalzo. Infatti nei circuiti sequenziali lo stato delle uscite dipende dalla sequenza dei segnali applicati in ingresso. La semplice chiusura di un contatto elettromeccanico, infatti, dà luogo a dei piccoli rimbalzi nella chiusura dell'interruttore che possono dare luogo a delle variazioni di tensione prima di raggiungere la tensione finale. Come vediamo nel seguente diagramma: Tali variazioni di tensione danno luogo a degli errori di tipo logico. Un circuito antirimbalzo può essere il seguente: Quando il pulsante P si trova verso l'alto si ha S = 0; R = 1; Q = 1. Mentre il pulsante scende verso il basso il falso contatto nella parte superiore del pulsante non riesce a portare R a 0, anche se S può oscillare tra 0 e 1; una volta che il pulsante ha toccato la parte inferiore R = 0; S = 1; Q = 0; successivi falsi contatti nella parte inferiore non riusciranno più a far commutare l'uscita, infatti perché ciò avvenga, occorre che il pulsante ritorni verso l'alto LATCH S - R CON ABILITAZIONE L'abilitazione è un particolare ingresso che ha il compito di stabilire l'istante in cui l'uscita si deve adeguare allo stato degli ingressi. Il morsetto di abilitazione si può indicare con la sigla EN oppure G. Consideriamo il seguente circuito: rev febbraio 2013 Pagina 97 di 126

98 Possiamo notare che gli ingressi S ed R non sono stati applicati direttamente al latch S - R ma mediante due porte AND che hanno lo scopo di abilitare, quella superiore l'ingresso SET, quella inferiore l'ingresso di RESET. La tabella di verità diventa la seguente: EN S R Q n+1 0 X X Q n n.v Q n Dove X sta a indicare che, qualunque sia la combinazione di S e di R, quando EN = 0 l'uscita resta invariata FLIP FLOP J - K I flip flop sono dei circuiti sequenziali analoghi ai latch S- R, tuttavia si differenziano perché nei flip flop l'istante in cui avviene la commutazione delle uscite è stabilito con certezza, e si evita il difetto della trasparenza; dove trasparenza vuol dire che l'uscita si adegua immediatamente allo stato degli ingressi, non appena variano gli ingressi, ciò è un difetto quando si vogliono circuiti perfettamente sincronizzati, nei quali gli istanti di commutazione devono essere decisi con precisione. Lo schema di un flip flop J - K è il seguente: notiamo che vi è l'ingresso J, che corrisponde a SET del latch S-R; l'ingresso K, che corrisponde al RESET del latch S-R; l'ingresso di clock CK, che fa commutare il circuito durante il fronte di salita dell'impulso di clock; il morsetto Pr, che sta per PRESET, cioè pone l'uscita Q = 1 indipendentemente dagli ingressi e dal clock; il morsetto Cl, cioè CLEAR, che pone l'uscita Q = 0, indipendentemente dagli ingressi e dal clock; infine le due uscite Q e negato. La presenza del clock rende il circuito di tipo sincrono. Lo schema interno è il seguente: rev febbraio 2013 Pagina 98 di 126

99 La tabella di verità è la seguente: CK J K Q n+1 0 X X Q n Ý 0 0 Q n Ý Ý Ý 1 1 Il simbolo Ý indica il fronte di salita dell'impulso di clock. In assenza di clock l'uscita resta invariata FLIP FLOP MASTER SLAVE Il flip flop di tipo master slave è diviso in due flip flop, uno principale, detto master, uno secondario detto slave. In tal modo si elimina del tutto il problema della trasparenza, infatti il flip flop principale memorizza il valore degli ingressi J e K durante il fronte di salita dell'impulso di clock, invece il secondario adegua l'uscita allo stato degli ingressi solo al fronte di discesa dell'impulso di clock, quindi occorre un intero impulso perché avvenga la commutazione. Lo schema elettrico è il seguente: La tabella di verità è la seguente: rev febbraio 2013 Pagina 99 di 126

100 CK J K Q n+1 0 X X Q n _ é ù _ 0 0 Q n _ é ù _ _ é ù _ _ é ù _ 1 1 Il simbolo _ é ù _ indica l'intero impulso di clock. rev febbraio 2013 Pagina 100 di 126

101 1.8. FLIP FLOP TIPO D Il flip flop di tipo D ha lo scopo di trasferire all'uscita Q il dato presente in ingresso quando arriva l'impulso di clock. Lo schema è il seguente: Notiamo la presenza di un invertitore che fa in modo che il valore dell'ingresso K sia sempre opposto a quello dell'ingresso J. La tabella di verità è la seguente: CK D Q n+1 0 X Q n Ý 0 0 Ý 1 1 La lettera D sta per dato. Un flip flop di tipo D è un elemento di memoria, che memorizza il dato in ingresso su D e lo trasferisce tale e quale all'uscita Q, quando arriva il segnale di clock. In pratica viene usato da buffer. Un buffer a 8 bit può essere il seguente: Può essere usato come divisore di frequenza, cioè divide per 2 la frequenza applicata sull'ingresso di clock, come dal seguente schema: Infatti occorrono due impulsi di clock per ogni impulso ottenuto sull'uscita Q. rev febbraio 2013 Pagina 101 di 126

102 Un altro modo di ottenere un divisore di frequenza è quello di utilizzare il flip flop di tipo T, secondo il seguente schema: Possiamo notare che gli ingressi J e K sono collegati tra di loro. Mantenendo a livello alto l'ingresso T, ad ogni impulso di clock l'uscita commuta; però occorrono sempre due impulsi di clock per uno da ottenere in uscita. La tabella di verità è la seguente. CK T Q n+1 0 X Q n Ý 0 Q n Ý 1 7. APPENDICE DI ELETTRONICA 1.9. Sample and hold In elettronica, il circuito sample and hold (abbreviato S&H) è un campionatore utilizzato come interfaccia tra un segnale analogico che varia velocemente nel tempo e un dispositivo successivo, spesso un convertitore analogico-digitale (ADC, analog to digital converter). L'effetto di questo circuito è di mantenere il valore analogico costante per il tempo necessario al convertitore o ad altri circuiti successivi per compiere delle operazioni sul segnale. rev febbraio 2013 Pagina 102 di 126

103 Nella maggior parte dei circuiti si utilizza un condensatore a bassa capacità C per conservare la tensione analogica, più un transistor (solitamente un MOSFET, che ha una piccola resistenza di ingresso intrinseca R), il quale funge da interruttore, connettendo e disconnettendo il condensatore all'ingresso analogico. Al source del transistor è collegato un buffer, che mantiene l'impedenza di ingresso globale elevata. La procedura di utilizzo consiste nell'iniettare nel gate del transistor un segnale impulsivo, permettendo così al source del MOSFET di raggiungere (in modo pressoché istantaneo, date le grandezze del partitore RC) la tensione del generatore in ingresso. Nell'istante successivo all'immissione dell'impulso, l'interruttore si chiude, perciò il condensatore non si scarica, "memorizzando" così il segnale di ingresso. Ripetendo tale procedura più volte, si ottiene in uscita una rappresentazione "a scalino" della tensione di ingresso. La frequenza con cui l'interruttore viene aperto o chiuso è la frequenza di campionamento del sistema. Grafico delle tensioni in un circuito S&H, nell'esempio di un ingresso sinusoidale. Il motivo della necessità di un simile circuito è evidente: nell'adc l'input viene comparato con una serie di voltaggi prodotti da un convertitore digitale-analogico interno finché le due misure non corrispondono (entro un certo margine di errore). Nel caso l'adc fosse collegato direttamente al segnale da convertire, senza un circuito S&H che ne mantenga il valore, l'input potrebbe variare durante il processo di comparazione, portando ad una conversione inaccurata o completamente errata. Spesso i sample and hold sono utilizzati quando vi è la necessità di analizzare più segnali: ciascun ingresso viene acquisito e mantenuto utilizzando un segnale di clock comune a tutti i circuiti, in modo da poter leggere comodamente i valori. È essenziale che la capacità abbia poche perdite, così da mantenere costante la tensione di ingresso, e che non abbia carico rev febbraio 2013 Pagina 103 di 126

104 1.10. MOSFET MOSFET, è l'acronimo di Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, cioè transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo. Molto frequentemente viene indicato anche solo come transistor MOS. È un tipo di transistor, usato principalmente nei dispositivi digitali grazie al basso consumo di potenza dovuto alla ridotta dispersione di calore rispetto ad altri tipi. Il MOSFET è certamente il più comune transistor a effetto di campo sia nei circuiti digitali che in quelli analogici. Il MOSFET è composto da un substrato di materiale semiconduttore di tipo n o di tipo p. Solitamente il semiconduttore scelto è il silicio, ma alcuni produttori di circuiti elettronici, in particolare IBM, hanno cominciato a usare una miscela di silicio e germanio (SiGe) nei canali MOSFET. Sfortunatamente, molti semiconduttori con migliori proprietà elettroniche rispetto al silicio, come l'arseniuro di gallio (GaAs), non formano buoni ossidi sul gate e quindi non sono adatti per i MOSFET. Il terminale di gate è uno strato di polisilicio (silicio policristallino; più avanti si spiega perché viene usato il polisilicio) posto sopra il canale, ma separato dal canale tramite un sottile strato isolante di biossido di silicio (SiO 2 ). Quando si applica una tensione, superiore alla tensione di soglia, tra i terminali di gate e source, il campo elettrico che si genera crea quello che si chiama "canale" nel substrato sottostante. Il canale è dello stesso tipo (n o p) del source e del drain, quindi fornisce un percorso conduttivo tra questi due elettrodi. Variando la tensione tra gate e bulk (substrato) (che di solito si considera implicitamente collegato al source) si modifica di conseguenza la conduttività di questo strato e rende possibile controllare il flusso di corrente tra drain e source. rev febbraio 2013 Pagina 104 di 126

105 1.11. Amplificatore operazionale Un amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale accoppiato in continua e ad elevato guadagno (idealmente infinito). Il nome è dovuto al fatto che con esso è possibile realizzare circuiti elettronici in grado di effettuare numerose operazioni matematiche: la somma, la sottrazione, la derivata, l'integrale, il calcolo di logaritmi e di antilogaritmi. Al giorno d'oggi l'amplificatore operazionale è, in genere, costituito da un circuito integrato. Simbolo circuitale (A) e circuiti applicativi: inseguitore (B), amplificatore non invertente (C), amplificatore invertente (D), Sommatore (E), pinout di un amplificatore operazionale integrato (F) Descrizione In generale il modello dell'amplificatore presenta due ingressi: uno definito invertente, indicato con il simbolo "-", l'altro definito non invertente, indicato con il simbolo "+", ed una uscita (figura A in alto a destra). L'impedenza di ingresso presenta un valore molto elevato, idealmente infinito, mentre l'impedenza di uscita ha valore basso, idealmente nullo. Il fatto che la resistenza d ingresso sia infinita implica che l amplificatore non assorbe corrente da nessuno dei due terminali d ingresso. Inoltre, il fatto che la resistenza d'ingresso sia infinita e quella di uscita nulla, fa sì che un amplificatore operazionale ideale sia un perfetto amplificatore di tensione. Nella pratica questi valori, così come la banda passante e la frequenza massima di lavoro, sono determinati dalle caratteristiche costruttive dei singoli modelli di circuiti integrati. La maggior parte degli amplificatori operazionali è progettata per lavorare con una tensione di alimentazione duale, cioè con un valore positivo ed uno negativo, simmetrici rispetto ad una massa, che può essere reale oppure virtuale. Le due tensioni non necessariamente debbono avere lo stesso valore: ad esempio la tensione positiva potrebbe essere di 15 volt, quella negativa di 7 volt, la versatilità di questi dispositivi è tale, che vi possono essere applicazioni in cui la tensione negativa può essere posta a zero, ovvero, il componente è alimentato da una tensione singola rispetto alla massa. Nell'alimentazione duale, il livello del rev febbraio 2013 Pagina 105 di 126