Convertitori da tensione a impulsi

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1 Misure basate sul conteggio di impulsi Conertitori da tensione a impulsi - Conertitori da tensione a impulsi - Conertitore tensione-frequenza Schema di principio Il conertitore tensione-frequenza consente di misurare una tensione continua attraerso la misura di una frequenza. Il conertitore tensione-frequenza è costituito sostanzialmente da un circuito di ingresso integratore (Fig..) cui iene applicata la tensione incognita di alore costante V. Per la presenza della massa irtuale sul morsetto inertente dell operazionale, la corrente d ingresso risulta costante e pari a I = V /. Fig.. - Schema di principio del conertitore tensione/frequenza. Se l interruttore sw in parallelo al condensatore C è chiuso, la corrente I fluisce attraerso il corto circuito ai capi del condensatore C e la tensione d uscita c risulta nulla. Quando l interruttore sw iene aperto, la corrente fluisce nel condensatore (inizialmente scarico) e lo carica ad una tensione che ha l andamento di una rampa: t c ( t) = I dτ = Vt C (.) 0 La rampa c in uscita dall integratore iene applicata al successio comparatore che presenta all altro ingresso una tensione di riferimento V ref. Questa tensione di riferimento, per il corretto funzionamento del dispositio, dee risultare di segno opposto alla tensione d ingresso V. Per comprendere meglio il funzionamento del circuito, si consideri l esempio riportato in Fig.., doe la tensione incognita V > 0 e quindi V ref = < 0. Dopo il tempo di integrazione T, la tensione c, rappresentata a tratto pieno, raggiunge il alore della tensione V ref = -V a cui si ha scatto del comparatore.

2 Misure basate sul conteggio di impulsi Conertitori da tensione a impulsi - Fig.. - Andamento della tensione c in uscita dall integratore. Lo scatto del comparatore, a sua olta, comanda il dispositio one shot (letteralmente generatore di un impulso). L impulso generato dall one shot chiude l interruttore statico sw (switch) in parallelo al condensatore C, che iene così bruscamente scaricato (reset). Se si ammette in prima approssimazione che il fenomeno di reset sia istantaneo, l integratore riprende immediatamente a generare la rampa alla sua uscita, iniziando così un nuoo ciclo identico al precedente. L uscita dell one shot assume nel tempo l andamento di un treno di impulsi la cui frequenza si ottiene dalla condizione di coincidenza: V T T c = Vref = V f = = V V (.) La frequenza del treno di impulsi risulta quindi proporzionale alla tensione incognita V. In Fig.. sono riportati gli andamenti di c per due alori di tensione: V e V <V. Schema a bilanciamento di carica Lo schema di principio di Fig.. presenta una certa incongruenza, riconducibile al reset che non può essere istantaneo. Si può ricorrere pertanto allo schema modificato di Fig..3. In sostanza è stato aggiunto un ramo costituito dal generatore di tensione V in serie con la resistenza ( << ), che può essere collegato al nodo sommatore dell operazionale, tramite l interruttore sw, pilotato dall one shot. Affinchè il reset aenga in modo appropriato è necessario che la tensione V sia di segno opposto alla V. Il fatto che le tensioni V e V siano di segno opposto è messo in eidenza in Fig..3 con i ersi naturali delle correnti I e I. Fig Schema del conertitore a bilanciamento di carica. La tensione c in uscita dall integratore presenta, a regime, l andamento periodico riportato in Fig..4. Tale diagramma è stato tracciato assumendo la tensione in ingresso V > 0. Ciascun periodo è costituito da due interalli temporali T e T e la tensione c eole fra i alori V ref e (V ref + V).

3 Misure basate sul conteggio di impulsi Conertitori da tensione a impulsi - 3 Il alore V corrisponde all escursione della forma d onda c a regime. Il primo interallo T corrisponde all integrazione della tensione incognita. Durante questo interallo l interruttore sw è aperto (sw off ) e la tensione c risulta una rampa decrescente che parte dal alore iniziale (V ref + V). Alla fine del tempo T si ha: V V = ( V V ) T V V T (.3) C c ref + = ref = Non appena la tensione c incontra il liello V ref, si ha lo scatto del comparatore e il conseguente impulso prodotto dall one shot chiude per un tempo fisso T l interruttore sw (sw on ). In tal modo il generatore V iene collegato alla resistenza e inizia la fase di reset. Fig..4 - Andamenti della tensione c in uscita dall integratore e delle correnti I e I. La rampa di reset risulta dal contributo delle correnti I =V / e I =V / presenti (con erso opposto) al nodo sommatore in ingresso. Pertanto la tensione c, partendo dal alore V ref raggiunto al momento della commutazione, risale secondo la equazione: c = V ref V C V t Dopo il tempo costante T la tensione c sarà risalita rispetto a V ref del alore: (.4) V V V = T (.5) Cessato l impulso di reset, si apre l interruttore sw (sw off ) e continua l integrazione della sola tensione incognita V iniziando in tal modo un nuoo ciclo. D altra parte si è isto che nell interallo T di integrazione della sola V dee risultare: V V = T (.6) C Uguagliando le ultime due equazioni si ottiene infine: V V ( T + T ) = T (.7) C C

4 Misure basate sul conteggio di impulsi Conertitori da tensione a impulsi - 4 Da cui si risale alla frequenza degli impulsi: f T T + T = = = (.8) V V T che risulta proporzionale alla tensione incognita V. Si ossera che la bontà del conertitore è legata alla stabilità della tensione V e del tempo T dell one shot. La tensione V ref, iceersa, non compare direttamente nella espressione della frequenza, ma la sua stabilità è fondamentale affinché i tempi T e T (e quindi la frequenza) rimangano costanti durante la misura. Il termine "dispositio a bilanciamento di carica", con cui iene spesso designato il sistema, deria dal fatto che durante il periodo del fenomeno (T +T ) iene spostata, fra le armature del condensatore, una quantità di carica complessiamente nulla: come si ossera in Fig..4 doe Q =Q. - Conertitori tensione-tempo Voltmetro a rampa Il conertitore tensione-tempo consente di misurare una tensione continua attraerso la misura di un interallo di tempo. Nel oltmetro a rampa schematizzato in Fig.., l integratore in ingresso integra, in una prima fase, la tensione di riferimento V ref (di segno opposto alla tensione incognita V ). Fig... - Schema del conertitore tensione/tempo. La rampa c in uscita iene confrontata con la tensione incognita V tramite un comparatore. Il circuito di controllo che ha proeduto ad aiare la rampa, aprendo l interruttore sw, produce anche il segnale di start che abilita il passaggio degli impulsi prodotti dall orologio attraerso la porta. Nella Fig.. sono riportati gli andamenti temporali delle tensioni, c e o. L esempio riportato si riferisce al caso in cui V > 0. Quindi si ha V ref = -V < 0 e la rampa c risulta crescente. La condizione di coincidenza della rampa c con la tensione incognita V prooca lo scatto del comparatore che fornisce alla porta il comando di chiusura (stop) e pertanto interrompe il passaggio degli impulsi erso il contatore. Poiché il tempo di clock T c è costante, il numero N degli impulsi contati durante l interallo di tempo compreso fra lo start e lo stop risulta proporzionale alla tensione incognita V. Infatti, con riferimento alla Fig.., si ha:

5 Misure basate sul conteggio di impulsi Conertitori da tensione a impulsi - 5 c = Vref t = V t quindi V = V N Tc (.) Nel funzionamento è preisto che la rampa continui, per poter intersecare tutti i alori possibili V compresi entro il fondoscala FS. Al termine, l interruttore iene chiuso (sw on ) per consentire il reset del condensatore, prima che inizi un nuoo ciclo di misura. Fig... - Andamenti temporali delle tensioni per il conertitore tensione/tempo. L accuratezza delle misure dipende fortemente dai parametri passii (per esempio la resistenza e la capacità), che possono ariare sia nel tempo sia per le condizioni ambientali. Per limitare l inconeniente, si introduce uno schema con integrazione a doppia rampa. Voltmetro a doppia rampa Nel oltmetro a doppia rampa, schematizzato in Fig..3, le tensioni V e V ref sono ancora di segno opposto, per un corretto funzionamento del dispositio. Fig Schema del conertitore a doppia rampa. Durante un primo interallo di tempo, di durata costante T 0, iene integrata la tensione incognita V. Nella Fig..4 è rappresentato il caso in cui la tensione V è (per esempio) negatia e pertanto si ottiene in uscita una tensione c a rampa ascendente. Conseguentemente la tensione di riferimento V ref sarà positia: V ref = V. Poiché il tempo T 0 è costante, gli impulsi di clock (con periodo T c ) che passano attraerso la porta risultano in numero costante N 0 qualunque sia il alore della tensione incognita. Questo

6 Misure basate sul conteggio di impulsi Conertitori da tensione a impulsi - 6 fatto è eidenziato in figura riportando le rampe relatie a due tensioni incognite V e V. Trascorso il tempo T 0, dopo il quale la rampa ha raggiunto il alore V (o V ), il circuito di controllo proede a commutare, tramite l interruttore sw, l ingresso dell integratore sulla tensione di riferimento V ref e contemporaneamente azzera il contatore. Fig..4 - Andamenti delle tensioni nel conertitore a doppia rampa. Inizia quindi la rampa discendente che, partendo dal alore iniziale, si abbassa con pendenza costante fino a incontrare l asse dei tempi. Il passaggio per lo zero determina lo scatto del comparatore e il segnale di stop del conteggio. Il numero N di impulsi contati in questo secondo interallo di tempo T dipende eidentemente dal alore iniziale V e quindi dal alore della tensione V. L escursione della tensione c nell interallo di salita e in quello di discesa risulta da: in salita c = VT0 = V in discesa c = V Vref T Da cui si ottiene: V T 0 = 0 0 (.) N = Vref T V = V (.3) N L accuratezza della misura dipende, in pratica, solo dal riferimento di tensione V. Infatti, i parametri passii (quali resistenza e capacità) e il periodo di clock T c non hanno ariazioni importanti nell arco di tempo (T 0 +T) in cui si realizza la misura.