ircuiti d ingresso analogici - 1 ircuiti d ingresso analogici 1 - Il riferimento per i potenziali Schemi single-ended e differenziali I segnali elettrici prodotti dai trasduttori, oppure prelevati da un circuito o da un apparato elettrico, vengono applicati a un sistema di misura sotto forma di una tensione, dunque una differenza di potenziale fra due punti. L applicazione del segnale al sistema elettronico di misura richiede di considerare la modalità di riferimento per i potenziali, sia per quanto riguarda gli stadi di ingresso del sistema di misura sia per quanto riguarda il generatore equivalente del segnale da misurare. Normalmente i circuiti d ingresso dei sistemi elettronici di misura presentano un amplificatore (cioè un circuito attivo) per il quale è necessario stabilire e individuare un punto comune (common) al quale riferire i potenziali di molti altri punti: tipicamente a questo punto comune sono riferite le tensioni di polarizzazione dell amplificatore, la tensione d uscita v out e spesso la tensione in ingresso. Per quanto riguarda invece il segnale da misurare, non sempre è possibile portare uno dei suoi morsetti al potenziale di riferimento (common) degli stadi di ingresso del sistema di misura. Per chiarire questo punto, in Fig.1.1A è riportato il caso di un generatore equivalente di segnale (v s R s ) applicato a uno stadio amplificatore sui morsetti H ed L (High e Low), fra i quali è presente la resistenza d ingresso R in. In questo schema, sia il generatore di segnale (v s R s ), sia l ingresso (H-L) dell amplificatore, sia l uscita (v out ) dell amplificatore, sono tutti riferiti allo stesso punto common. Questa configurazione è detta single-ended (le tensioni riferite a un unico punto). Fig.1.1 - Modalità per applicare il segnale a un sistema di misura. A) single-ended. B) differenziale. D altra parte, in molti casi pratici il segnale di misura risulta flottante, cioè la tensione del segnale di interesse (v s R s ) non è riferita al punto comune, e inoltre nessuno dei due morsetti del generatore di segnale può essere collegato al common dell amplificatore, per motivi di funzionamento del circuito, come verrà mostrato più avanti. In tali casi, gli stadi amplificatori di tipo single-ended non sono utilizzabili e bisogna ricorrere a configurazioni apposite (vedi la Fig.1.1B) basate sull amplificatore differenziale.
ircuiti d ingresso analogici - 2 L amplificatore differenziale è infatti in grado di accettare in ingresso segnali flottanti e di amplificare correttamente (entro certi limiti) la differenza di potenziale fra due punti, anche se nessuno di essi è il common del sistema. Da un punto di vista generale (vedi la Fig.1.2A) si possono considerare i due morsetti di un generatore flottante come portatori rispettivamente della tensione v 1 e della tensione v 2 riferite al punto common, mentre R 1 ed R 2 sono le resistenze interne di questi generatori equivalenti. Fig.1.2 - Schema equivalente di un amplificatore differenziale. Da questo schema, attraverso le tensioni v 1 e v 2 si possono definire la tensione differenziale e la tensione di modo comune nel seguente modo: tensione differenziale : tensione di modo comune : v D = v1 v2 v1 + v2 v = 2 (1.1) Questa scomposizione è rappresentata in Fig.1.2B. La tensione differenziale v D è quella che ci interessa amplificare, con un certo guadagno A D. La tensione di modo comune v è quella presente su entrambi gli ingressi dell amplificatore (vedi Fig.1.2B) e che si vorrebbe non desse alcun contributo sull uscita. In realtà, per come l amplificatore è costruito e montato sulla scheda, spesso si può trovare in uscita una traccia della tensione di modo comune v. In definitiva, si può ritenere che la tensione di modo comune venga amplificata con un guadagno A. Quindi in uscita dall amplificatore si hanno due contributi: v = A v + A out = vout, D + vout, D D v (1.2) Il contributo dovuto alla tensione di modo comune v rappresenta un disturbo indesiderato, dal momento che vorremmo amplificare solo la tensione differenziale v D. Inoltre, in alcuni casi pratici, l amplificatore si trova in ingresso segnali differenziali v D molto piccoli, mentre la tensione di modo comune v può assumere valori relativamente elevati. Allora, un buon amplificatore d ingresso dovrebbe avere un guadagno A D sufficientemente elevato (possibilmente variabile, a seconda delle esigenze) e un guadagno A tendente a zero. Amplificatore per strumentazione La caratteristica di amplificare il modo differenziale e di escludere il modo comune è detta reiezione del modo comune ed è definita come il rapporto fra i moduli del guadagno differenziale e quello di modo comune (ommon Mode Rejection Ratio, MRR); spesso viene dato anche in db (ommon Mode Rejection, MR): AD AD MRR = MRdB = 20log (1.3) A A Un amplificatore ideale dovrebbe avere una reiezione (MRR) infinitamente grande.
ircuiti d ingresso analogici - 3 Negli stadi di ingresso dei sistemi di acquisizione dati si impiega un dispositivo appositamente progettato e costruito: l amplificatore per strumentazione. L amplificatore per strumentazione (Instrumentation Amplifier, IA) presenta molti dei requisiti richiesti a un buon amplificatore differenziale. Innanzitutto è realizzato su un circuito integrato e ciò limita notevolmente le derive dei componenti dovute a fenomeni termici. Inoltre, la resistenza di ingresso per entrambi i canali v 1 e v 2 è particolarmente elevata (1-100 GΩ), la reiezione del modo comune arriva a 80-100 db, il controllo del guadagno A D avviene mediante un resistore programmabile esterno al circuito integrato (Programmable Gain Instrumentation Amplifier, PGIA). Amplificatori di isolamento Gli amplificatori di isolamento trovano applicazione in numerosi casi pratici; in particolare quando la tensione di modo comune risulta troppo elevata per l integrità del dispositivo amplificatore (tipicamente quando supera la tensione di polarizzazione, per esempio ±15V), oppure per motivi di sicurezza delle persone. Per chiarire e giustificare il loro impiego si può considerare l esempio in Fig.1.3. Si tratta di un carico elettrico alimentato dalla rete pubblica di distribuzione a 220 V e 50 Hz e si vuole misurare la corrente I che fluisce nel circuito tramite uno shunt R s del quale si preleva la caduta di tensione ΔV. Normalmente lo shunt ha un valore di resistenza molto piccolo e pertanto anche la caduta di tensione ΔV risulta piccola e deve essere amplificata. In Fig.1.3 le tensioni E b+ ed E b- sono le tensioni necessarie per polarizzare l amplificatore. Tipicamente l uscita V out è riferita al punto comune om, e questo è al potenziale di terra. Notiamo che nei comuni sistemi di distribuzione dell energia elettrica si impiega il conduttore di Fase e il conduttore di Neutro per formare un circuito monofase. In particolare, il polo di Neutro viene portato al potenziale del terreno (messo a terra) dall Ente Distributore, presso la propria cabina di distribuzione. Fig.1.3 - Misura su rete di distribuzione tramite shunt. Dall esame del circuito in Fig.1.3 e da quanto detto, risulta che i morsetti dello shunt si trovano entrambi praticamente alla tensione di 220 V rispetto a terra. Pertanto l amplificatore presenta entrambi i morsetti di ingresso H e L con una tensione che è di 220 V rispetto a terra. Poiché il punto comune om, cui sono riferite le tensioni di polarizzazione dell amplificatore e la tensione in uscita, si trova al potenziale di terra, allora la tensione di 220 V risulta di modo comune per l amplificatore. Tale tensione di modo comune è troppo elevata e non può essere sostenuta dai normali amplificatori per strumentazione. In casi come quello appena esaminato sono necessari amplificatori di isolamento, che garantiscono la completa separazione galvanica fra i segnali d ingresso e d uscita e possono sostenere tensioni di modo comune molto più elevate (anche 2000 V). Questi amplificatori
ircuiti d ingresso analogici - 4 non presentano collegamenti metallici diretti fra la porta d ingresso e quella d uscita. Gli amplificatori di isolamento trovano impiego, oltre che in campo industriale, anche in altri ambiti dove, per motivi di sicurezza delle persone, non è consentito il collegamento diretto fra il sensore che rileva il segnale utile e l elettronica di amplificazione ed elaborazione del segnale. Un esempio significativo si ha nelle applicazioni elettromedicali, quando la strumentazione è connessa alla rete di alimentazione a 220 V e 50 Hz. Da un punto di vista circuitale e di funzionamento gli amplificatori di isolamento sono costruiti con varie tecnologie; per esempio si impiegano dispositivi ad accoppiamento trasformatorico oppure ottico. Accoppiamento ottico In Fig.1.4 è rappresentato lo schema di un amplificatore di isolamento con accoppiamento ottico (per esempio, fotodiodo e fotorivelatore). La sezione di ingresso e quella d uscita sono elettricamente indipendenti (galvanicamente separate) e hanno ciascuna una propria alimentazione: rispettivamente (V DD1 Gnd 1 ) e (V DD2 Gnd 2 ). Il segnale in ingresso è applicato fra i morsetti (V in+ e V in- ); il segnale in uscita è raccolto fra i morsetti (V out+ e V out- ). In alcuni casi è presente anche uno schermo conduttore (MR shield), posto a massa sull uscita (Gnd 2 ), che ha lo scopo di drenare a massa le piccole correnti capacitive, evitando per quanto possibile che disturbino i circuiti secondari d uscita. Fig.1.4 - Amplificatore di isolamento con accoppiamento ottico. Alcuni tipi di amplificatori di isolamento prevedono direttamente in ingresso un circuito campionatore e un convertitore analogico-digitale che produce una sequenza di bit (bit stream). In tal modo viene trasmessa attraverso la barriera ottica una serie di bit che codificano i campioni del segnale in ingresso, preservando l informazione dalle alterazioni dovute ai disturbi. A valle della barriera di isolamento, il segnale digitale viene riconvertito in un segnale analogico, se il suo impiego successivo lo richiede in tale forma; oppure viene inviato direttamente in forma digitale alle unità di digital post-processing. Si noti, infine, che l alimentazione dei circuiti d ingresso (V DD1 Gnd 1 ) e d uscita (V DD2 Gnd 2 ) sono entrambe di tipo flottante, cioè nessun punto è vincolato nei riguardi dei potenziali. Questo fatto consente di collegare il morsetto Gnd 1 a un punto che può essere di per sé a potenziale elevato rispetto a massa. Anche il riferimento Gnd 2 per i potenziali in uscita può essere portato al potenziale del punto comune dei circuiti di elaborazione successivi.
ircuiti d ingresso analogici - 5 2 - I disturbi dovuti ai collegamenti a massa onnessioni a massa Il problema dei collegamenti a massa è uno dei più critici nell interconnessione di componenti e circuiti elettronici di misura. Quello che in teoria viene assunto come punto comune cui riferire i potenziali di un circuito, in realtà non esiste. Infatti esistono più punti che, per il fatto di essere collegati tramite conduttori, vengono ritenuti equipotenziali. In pratica le correnti che fluiscono in tali conduttori (return path) stabiliscono delle differenze di potenziale fra i diversi punti che si vorrebbero equipotenziali. Il fenomeno è rappresentato in Fig.2.1. Fig.2.1 - ollegamenti a massa in serie A) e in parallelo B). Nel collegamento in serie dei common ground dei tre circuiti, l impedenza finita delle connessioni comporta che V 1 V 2 V 3. Inoltre la tensione sul punto comune di ciascun circuito dipende dalle correnti a massa degli altri circuiti. Viceversa nel collegamento separato (radiale), il potenziale di massa di ciascun circuito non dipende dalle correnti di ritorno a massa degli altri. I sistemi più complessi possono avere più di un common ground, uno per ogni settore circuitale (analogico, digitale, per i segnali a basso livello, ecc.). Spesso tutti questi punti di massa confluiscono nel power ground. Il power ground è di norma presente nelle apparecchiature elettroniche alimentate dalla rete e costituisce il collegamento a terra di protezione (earth ground o safety ground). Al collegamento a terra (insieme a idonei dispositivi di interruzione) è affidato il compito di protezione contro le tensioni di contatto in caso di guasto, qualora cioè si perda l isolamento delle parti che normalmente si trovano alla tensione di rete. omunque, nei riguardi del segnale di misura, la differenza di potenziale fra due punti di massa si manifesta come un disturbo e questo agisce in modo diverso sul segnale utile a seconda della configurazione del circuito. on riferimento ai collegamenti a massa, le configurazioni principali sono quelle single-ended e differenziali. onfigurazioni single-ended Si consideri lo schema di Fig.2.2A, dove il segnale utile V s viene applicato allo strumento di misura attraverso un amplificatore single-ended con impedenza di ingresso Z in. Il fatto che le masse per il segnale e per il dispositivo di misura possano essere a potenziali diversi è posto in evidenza utilizzando per esse simboli differenti. Indicheremo pertanto con V g e Z g i parametri del generatore equivalente di disturbo presente fra i due punti di massa. Nelle configurazioni single-ended, il disturbo dovuto alla tensione V g fra le masse è particolarmente insidioso in quanto si presenta in serie con il segnale utile.
ircuiti d ingresso analogici - 6 Fig.2.2 - onfigurazioni single-ended. Tavolta può risultare utile creare un collegamento diretto fra la massa del segnale e quella dello strumento (Fig.2.2B). Bisogna tuttavia tener presente che il collegamento Z b, benché a bassa resistenza, presenta anche delle induttanze parassite, la cui importanza cresce con la frequenza. onfigurazioni differenziali Nelle configurazioni differenziali, la tensione di disturbo fra le masse risulta di modo comune. Per valutare l influenza di questo disturbo, si faccia riferimento al circuito equivalente di Fig.2.3A. In questo schema, Z in è l impedenza differenziale fra i due ingressi H ed L, mentre Z sono le impedenze che ciascun ingresso H ed L presenta verso massa (guardando dentro l amplificatore). Nei casi pratici, le impedenze Z in e Z presentano valori estremamente elevati e dello stesso ordine di grandezza. Un valore tipico può essere 10 9 Ω in parallelo con 2 pf. Fig.2.3 - A) onfigurazione differenziale. B) ircuito equivalente. L effetto della tensione di modo comune V g sull ingresso differenziale Z in può essere fortemente ridotto (tanto da risultare praticamente trascurabile) se si cura la simmetria delle impedenze in serie su ciascun ingresso H ed L, cioè se (Z s +Z a = Z b ). Per rendersi conto di questo fatto, si consideri lo schema di Fig.2.3B, dove con Z 1 e Z 2 sono state indicate genericamente le impedenze attraverso le quali viene applicato il segnale su ciascun ingresso H ed L. Si può valutare l effetto della tensione di modo comune V sull ingresso Z in cominciando a calcolare il suo contributo direttamente sugli ingressi H ed L, ai capi dell impedenza differenziale Z in. Il generatore equivalente di Thevenin fra i morsetti H ed L sarà caratterizzato dai seguenti parametri V T e Z T : Z Z = [ V V ] = V ZT = Z1 Z Z Z (2.1) VT H L 0 ; + 2 Z1 + Z Z2 + Z Poiché, nella pratica, le impedenze Z sono molto maggiori di Z 1 ed Z 2, si ha: V Z Z ΔZ = V Z V Z Z Z (2.2) 2 1 T T 1 + ( Z + Z1)( Z + Z2) Z 2
ircuiti d ingresso analogici - 7 avendo posto ΔZ=Z 2 -Z 1. Il generatore equivalente di Thevenin risulta applicato all impedenza differenziale Z in (con Z in >>Z T ). Pertanto, ai capi di Z in si stabilisce praticamente tutta la tensione a vuoto V T dovuta al modo comune. Questa tensione equivalente V T viene amplificata con guadagno differenziale A D proprio dell amplificatore differenziale (o amplificatore per strumentazione) e produce sull uscita un contributo: V out AD V Z = VT AD = V A MRR = = (2.3) A V ΔZ Da cui si deduce che la reiezione del modo comune complessiva migliora al diminuire dello sbilanciamento delle impedenze di ingresso ΔZ = Z 2 -Z 1. T 3 - Accoppiamenti induttivi Schema di principio I disturbi sul circuito di misura che nascono per accoppiamento induttivo sono dovuti alla circolazione di correnti. Si considerino pertanto due conduttori come rappresentato nello schema di Fig.3.1. Il primo, detto circuito disturbante, è percorso dalla corrente I 1 ; il secondo, detto circuito disturbato, trasferisce il segnale di misura V s allo stadio di ingresso R in di uno strumento. Fig.3.1 - Schema per l accoppiamento induttivo. La corrente I 1 circolante nel conduttore "1" determina un flusso Φ che si concatena anche con il conduttore "2". La mutua induttanza M 12 presente fra i due conduttori è responsabile dell accoppiamento induttivo. La tensione di disturbo V n che risulta in serie con il segnale utile V s è data da: V n = jωm 12 I 1 (3.1) Per ridurre l entità del disturbo dovuto all accoppiamento induttivo bisogna ridurre la mutua induzione. Questo si può ottenere ponendo i due circuiti (1 e 2) il più possibile distanti e perpendicolari. Inoltre è opportuno disporre il conduttore attivo del circuito disturbato il più possibile vicino al suo ritorno (sia esso il piano di massa, oppure la pista di un circuito stampato o un semplice cavo, purché siano uguali le correnti di andata e ritorno): in tal modo si riduce l area della spira con la quale si concatena il flusso magnetico prodotto dalla corrente I 1. Tali considerazioni trovano applicazione pratica con l impiego di coppie twisted e di cavi coassiali, rappresentati in Fig.3.2.
ircuiti d ingresso analogici - 8 Fig.3.2 - Doppino avvolto A) e cavo coassiale B). 4 - Accoppiamenti capacitivi Schema di principio I disturbi che nascono sul circuito di misura per accoppiamento capacitivo sono dovuti alla presenza di parti in tensione. Si considerino pertanto due conduttori come rappresentato nello schema di Fig.4.1. Fig.4.1 - Schema per l accoppiamento capacitivo. Il primo conduttore si trova alla tensione V 1 rispetto a massa e costituisce il circuito disturbante; il secondo conduttore, appartenente al circuito disturbato, trasferisce il segnale utile V s all ingresso R in di uno strumento di misura. L accoppiamento capacitivo è dovuto alla capacità 12 presente fra i due conduttori (1 e 2) e alla capacità 20 presente fra il circuito disturbato e la massa. Per valutare l azione del disturbo, si consideri assente il generatore di segnale V s e si indichi con R la resistenza complessiva verso massa del circuito 2 (data dal parallelo fra R s e R in ). Si può quindi tracciare lo schema di Fig.4.2A, dove la tensione V n rappresenta il disturbo in ingresso allo strumento di misura, dovuto all accoppiamento capacitivo. Fig.4.2 - ircuiti equivalenti per l accoppiamento capacitivo.
ircuiti d ingresso analogici - 9 A tale schema può essere associato un circuito equivalente secondo Thevenin come riportato in Fig.4.2B. I parametri del circuito equivalente risultano: = (4.1) 12 12 eq 12 + 20 Veq = V1 = V1 12 + 20 eq La tensione di disturbo V n che si manifesta ai capi della resistenza R e quindi sul circuito di ingresso dello strumento, risulta infine: V n = V eq R + R 1 jω eq = V eq * jω/ ω 1+ jω/ ω * posto ω * = 1 R eq (4.2) Si osserva che l andamento della tensione di disturbo V n dipende dalla frequenza, come rappresentato nella Fig.4.2. La tensione di disturbo V n varia linearmente con la pulsazione ω, approssimativamente fino al valore ω * =1/R eq. Per valori superiori della pulsazione, la tensione di disturbo rimane praticamente costante con valore pari a V eq. Nella Fig.4.2, tali andamenti sono stati riportati con riferimento a due differenti valori della capacità ( 12 e 12 < 12 ). Per avere un idea dei valori in gioco, possiamo considerare l esempio seguente: V 1 = 10 V; f = 100 khz; 12 = 50 pf; 20 = 150 pf; R = 50 Ω. La capacità e la tensione equivalenti sono rispettivamente: eq = 200 pf e V eq = 2,5 V. La pulsazione del punto di rottura è: ω * =1/(50 200 10-12 ) = 10 8 rad/s. Poichè: ω = 2π 10 5 rad/s << ω *, risulta in definitiva: V n V eq ω/ω * = 15,7 mv. Effetto dello schermo La tensione di disturbo V n può essere evitata disponendo uno schermo di materiale conduttore attorno al circuito disturbato. Tale provvedimento può essere rappresentato come in Fig.4.3. Fig.4.3 - Rappresentazione per il circuito schermato. Fra il conduttore disturbante "1" e quello disturbato "2" rimane solo la capacità 12 riguardante la porzione di cavo "2" non coperta dallo schermo S. Tale capacità è in pratica molto piccola e può spesso essere trascurata. Allora, se lo schermo S viene posto a massa, la corrente dovuta alla tensione V 1 e che attraversa la capacità 1s viene condotta direttamente a massa dallo schermo, senza interessare la capacità 2s e pertanto senza determinare tensioni disturbanti sul conduttore "2". In tal caso quindi V n = 0. Riguardo al punto in cui fare il collegamento a massa dello schermo, tale punto è irrilevante
ircuiti d ingresso analogici - 10 se il piano di massa è effettivamente equipotenziale sia per il generatore di segnale. In pratica, è opportuno che lo schermo venga posto a massa da un solo lato. In tal modo si evita il formarsi di ground loop e i conseguenti disturbi dovuti sia alle differenze di potenziale sulle masse che agli accoppiamenti induttivi. Quando lo schermo costituisce anche il conduttore di ritorno per il circuito di segnale è opportuno, quando possibile, collegare a massa solo un estremo, o l ingresso dello strumento (Fig.4.4A) o il generatore di segnale (Fig.4.4B). Fig.4.4 - onnessioni per evitare i ground loop.