Lezione 48 di Elettronica

PROGETTO DI UN SISTEMA DI
ACQUISIZIONE DATI
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Fondamenti di elettronica
OBIETTIVO e SPECIFICHE di PROGETTO
• Obiettivo : Misurare una temperatura
utilizzando una termocoppia
• Dinamica del sensore : da 0°C a 450°C
• Risoluzione richiesta : 0.5°C
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Fondamenti di elettronica
CARATTERISTICHE TECNICHE DELLA TERMOCOPPIA
Termocoppia in ferro-costantana
Intervallo di temperatura:
0  450°C
Dinamica del segnale elettrico in uscita :
0  25mV
Sensibilità :
25 mV
0.5°C corrispondono a 27.5V
 55 V C
450 C
Questi sono i segnali più piccoli da elaborare
Tensione di MODO COMUNE che agisce sulla termocoppia: VCM10V max
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Fondamenti di elettronica
RISOLUZIONE RICHIESTA ALL’ADC
450°C
0°C
RISOLUZIONE : 0.5°C
1 
 0.5



 450 900 
n = 10
(210=1024)
• ADC ad approssimazioni successive
oppure
• ADC a doppia rampa.
• VFS=5V
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Fondamenti di elettronica
SCHEMA DI PRINCIPIO DEL SISTEMA di MISURA
Termocoppia
-
Vd
S&H
ADC
+
VCM
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Fondamenti di elettronica
UNO SGUARDO ALL’INTERNO DELL’AMPLIFICATORE
+
R4
R2
A
Essi sono chiamati :
R1
+
-
Per avere elevatissime
prestazioni di:
- guadagno differenziale
- reiezione di modo comune
si usano circuiti elettronici
composti da operazionali.
R3
VU
R1
+
R2
R5
R6
R3=R4=R5=R6
INSTRUMENTATION AMPLIFIERS
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Fondamenti di elettronica
COMPORTAMENTO SU SEGNALE DIFFERENZIALE
V
+Vd/2
R3
R4
Vd  R 2 
1 

2  R1 
+
R2
Fisso in tensione
R1
+
VU
+
Vd
-
R1
 R2 
VU

Ad 
 1 
Vd
 R1 
R2
R5
R6
-Vd/2
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Fondamenti di elettronica
COMPORTAMENTO SU SEGNALE DI MODO COMUNE
uguali
1/2
+VCM
R
+
-
R
R2
-
R1
VU = 0
+
VCM
-
NON
passa
corrente
R1
A CM
R2
+
R
VU

0
VCM
R
+VCM
uguali
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1/2
Fondamenti di elettronica
CMRR MINIMO RICHIESTO
Vd
VU
VU  Ad  Vd  ACM  VCM
+


ACM
VU  Ad   Vd 
 VCM 
Ad


VCM
VCM 

 A d   Vd 

CMRR 

Segnale utile
Se VCM =10V e Vd = 27.5V
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Errore dovuto al
CMRR finito
il minimo valore di CMRR = 4.105 (112dB).
Fondamenti di elettronica
GUADAGNO DELL’AMPLIFICATORE
Massimo segnale dal sensore
: 25mV
G = 200
Fondo scala ADC
VIN
: 5V
VU
+
-
G id
R2
 1
 200
R1
R1=1k, R2=199k 
R2
R1
G reale
A0
A0


 200
R
1  G loop 1  A
1
0
R1  R 2
R2
 199.25
R1
se A0=100.000 (100dB)
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Fondamenti di elettronica
TENSIONI e CORRENTI di OFFSET
Tensione di offset < 27.5V (non facile !)
• Operazionali con regolazione dell’offset
• Misura in due fasi
-
Vd
+
Corrente di offset < ~30pA (piccola!)
• Iof .2.R2 < 0.5 LSB , dove 1 LSB  27V
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Fondamenti di elettronica
ERRORE di HOLDING nel S&H
VIN
Ibias
-
VU
+
CH
VCH
VCH
I bias  Tconv

CH
Nel tempo di conversione dell’ADC (Tconv=40ms) e con Ibias=50nA
 CH=820nF
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Fondamenti di elettronica
TEMPO di RISPOSTA dell’AMPLIFICATORE a
STRUMENTAZIONE
Scelta di amplificatori operazionali con banda di 1MHz
Banda dell’amplificatore a strumentazione
(G=200) di 5kHz (=32s).
-
Vo
+
Il valore Vo si stabilizza
entro 0.5LSB in  8
0.240ms
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V=200.Vth
Vo

t
t

 
Vo ( t )  V  1  e  




Fondamenti di elettronica
FASE di SAMPLING
Ron =1k
VU
-
VCH
Vth
+
CH=1F
VCH
Vth
t

Costante di tempo
=ron.CH = 1ms
Tempo di acquisizione di  8ms
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Fondamenti di elettronica
TEMPO TOTALE di MISURA
Usando un ADC ad approssimazioni successive
(Tconv=10s)
ciclo di misura esaurito in 10ms
(100 misure/s -inutile!- o 100 termocoppie
diverse lette ogni secondo)
Usando un ADC a doppia rampa (Tconv=40ms)
ciclo di misura esaurito in 50ms
(20 misure/s)
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Fondamenti di elettronica