I.P.S.I.A. Di BOCCHIGLIERO a.s. 2012/2013 -classe V- Materia: Sistemi, automazione e organizzazione della produzione ---- Conversione analogico digitale ---- alunni prof. Ing. Zumpano Luigi Valente Francesco Chindamo Michelangelo Paletta Francesco IPSIA Bocchigliero - Sistemi, automazione e organizzazione della produzione - Conversione A/D ________________________________________________________________________________________________ CONVERSIONE A/D L'elaborazione dei dati è generalmente un'operazione piuttosto complicata ;inoltre oggi si desidera gestire simultaneamente numerose informazioni provenienti da diverse sorgenti; per questi motivi l'unità di elaborazione è un sistema a microprocessore del tipo microcalcolatori o PLC. I dati devono così arrivare all'unità di elaborazione sotto forma digitale. Di conseguenza se il segnale proveniente dal trasduttore è analogico, prima di essere elaborato deve essere trasformato in digitale: prima dell'elaborazione si inserisce allora un convertitore Analogico/ Digitale. Il convertitore A/D è quindi presente nella struttura generale di un sistema di acquisizione dati. Il convertitore Analogico/Digitale trasforma un segnale analogico in un codice binario. In modo equivalente, la dissoluzione rappresenta il passo di canalizzazione: in effetti, con riferimento all'esempio di figura, se il codice binario subisce una variazione del bit meno significativo (lSB), otteniamo che il nuovo codice rappresenta l'intervallo immediatamente precedente o successivo a seconda che la variazione sia stata una diminuzione o un incremento. 111 110 101 100 011 010 001 000 LSB 1 Vi /V max La definizione precedente evidenzia subito il principale aspetto di un convertitore A/D; i codici che possono essere rappresentati in uscita con n bit sono solo 2n, mentre la tensione analogica di ingresso può assumere con continuità un infinità di valori diversi; i codici devono quindi essere associati ad un intervallo di possibili valori della tensione di ingresso. Si parla in tal caso di quantizzazione della grandezza analogica. Questa operazione implica ovviamente una perdita di informazione , dato che dal codice binario di uscita non è possibile risalire al valore preciso della tensione di ingresso, ma solo all' intervallo di valori associato a quel determinato codice. Ciò si traduce in un effetto chiamato rumore di quantizzazione. L' operazione di quantizzazione effettuata da un convertitore A/D può essere rappresentata graficamente dalla caratteristica di trasferimento. La tensione di ingresso viene normalizzata rispetto al valore massimo,tale valore è chiamato risoluzione del convertitore, che può essere espressa indicando semplicemente il numero n dei bit in uscita. Un convertitore A/D associa ad un intervallo di valori della tensione in ingresso un unico codice binario. Per eseguire l'operazione inversa, a ciascun codice si associa un valore di tensione che è il valore centrale di ciascun intervallo, chiamato valore nominale del codice. Specifiche dei convertitori ________________________________________________________________________________________________ Alunni: Valente, Chindamo e Paletta anno scolastico 2012/2013 classe V pag 2 pag 4 IPSIA Bocchigliero - Sistemi, automazione e organizzazione della produzione - Conversione A/D ________________________________________________________________________________________________ La principale specifica di un convertitore A/D è sicuramente rappresentata dalla risoluzione , direttamente legata al numero di bit del codice di uscita. I dispositivi commerciali più comuni offrono risoluzioni di 8, 10 e 12 bit. Sono comunque disponibili convertitori a 14 e a 16 bit, utilizzati ad esempio nelle applicazioni per l'elaborazione digitale del segnale audio di alta qualità. Infine, esistono convertitori che raggiungono la risoluzione di 20 e 24 bit, per applicazioni che richiedono un elevata precisione. Oltre alla risoluzione, esistono altre caratteristiche che contribuiscono a determinare le prestazioni di un ADC e quindi i possibili campi di impiego. Le principali tra tali caratteristiche sono: – il tempo di conversione – gli errori di guadagno e di offset – la non linearità differenziale. Quando si applica una tensione all' ingresso di un ADC è necessario attendere un certo tempo prima che il corrispondente codice sia disponibile in uscita. Tale tempo è chiamato tempo di conversione, che pone due limiti fondamentali all'utilizzo di un ADC. Il primo riguarda la velocità di variazione dl segnale, il quale non deve variare apprezzabilmente durante il tempo di conversione. Il secondo limite riguarda la frequenza di lettura dei dati di uscita del convertitore. Ad esempio, avendo un ADC con un tempo di conversione di un microsecondo, non è possibile chiedere al convertitore dati in uscita con frequenza superiore a quella di un dato ogni microsecondo. Per eseguire correttamente la conversione, un ADC deve avere una tensione stabile durante tutto il tempo di conversione, altrimenti si avrebbero delle incertezze sul valore effettivamente convertito. In effetti, una variazione del segnale di ingresso può essere trascurata se, durante il tempo di conversione, tale variazione risulta compresa entro la risoluzione LSB del convertitore: in tal caso, infatti, l'errore di conversione risulta comunque contenuto entro l'errore di quantizzazione. La possibilità di un errore di conversione quindi limita notevolmente il campo di frequenze di utilizzo del dispositivo. Questo problema può essere risolto mediante l'impiego di un circuito chiamato Sample and hold. Si tratta di un circuito che permette di campionare l'ingresso in un istante preciso e di memorizzarne temporaneamente il valore analogico. In tal modo, la tensione in ingresso all' ADC può essere mantenuta stabile per il tempo necessario alla conversione, eliminando l'errore di conversione. Questa ampiezza di ogni singolo intervallo viene indicata come passo di quantizzazione. Si evidenzia che all'aumentare del numero r di bit del convertitore A/D aumenta il numero di intervalli; la loro ampiezza, ossia il passo di quantizzazione, diminuisce di conseguenza. Convertitori paralleli ( o Flash ) Sono i convertitori A/D più veloci, che permettono di raggiungere frequenze di campionamento dell'ordine delle diverse decine di Mhz, fino ad oltre 100 Mhz. I dispositivi integrati commerciali sono comunemente disponibili per risoluzioni di 8 e 10 bit, mentre i più recenti raggiungono 12 bit. Per risoluzioni superiori si deve ricorrere a circuiti ibridi con costi molto elevati. Ecco lo schema di un convertitore a n=3 bit ________________________________________________________________________________________________ Alunni: Valente, Chindamo e Paletta anno scolastico 2012/2013 classe V pag 3 pag 4 IPSIA Bocchigliero - Sistemi, automazione e organizzazione della produzione - Conversione A/D ________________________________________________________________________________________________ Vi V ref 3 R + 2 R 7 2 R + 6 2 R + 5 + 2 R 2 R + 4 2 R + 3 R 2 + 1 ENCODER 20 21 22 Rumore di quantizzazione e sovra-campionamento Il rumore di quantizzazione può essere considerato normalmente come un rumore bianco, avente un spettro piatto, uniformemente distribuito. Dato che l'ampiezza e quindi la potenza del rumore di quantizzazione sono indipendenti e all'aumentare della frequenza di campionamento diminuisce la densità spettrale di potenza del rumore di quantizzazione, poichè la stessa potenza si ripartisce su uno spettro più ampio. Tale effetto e' sfruttato per ridurre il rumore di quantizzazione mediante la tecnica del sovra-campionamento. Si tratta di campionare un segnale ad una frequenza in modo da ridurre la potenza del rumore di quantizzazione entro la banda del segnale. Si esegue poi un operazione di filtraggio digitale, cioè un elaborazione digitale dei dati che realizza un filtro passa-basso, eliminando le frequenze superiori a quella di campionamento. A questo punto si esegue un operazione di decimazione. In frequenza ciò si traduce in una traslazione nello spettro attorno alle frequenze. Il dhitering consiste nell'introdurre artificialmente del rumore nel segnale di ingresso al fine di migliorare la qualità di conversione superando la limitazione di una risoluzione finita. Anche se può sembrare assurdo che del rumore possa migliorare la qualità si può mostrare come questo sia vero con un semplice esempio numerico. Supponiamo che il segnale di ingresso sia sempre pari e costante al valore di 0,34 Volt e che il nostro convertitore abbia una risoluzione di 0,1 volt. In assenza di rumore il segnale sarà campionato e approssimato come una sequenza di valori pari a 0,3 V, il livello più vicino del quantizzatore. Se invece sommiamo del rumore bianco, cioè un segnale con valore medio nullo, con una varianza pari a 0,1 V (pari alla risoluzione del convertitore, 1LSB) avremo che il segnale oscillerà ora tra 0,24 V e 0,44 V con il risultato che i campioni avranno i valori di 0,2, 0,3 o 0,4 Volt. Per le proprietà statistiche del rumore, il valor medio dei campioni, invece di 0,3 volt, sarà di 0,34 V: in pratica il rumore ha annullato l'errore medio. ________________________________________________________________________________________________ Alunni: Valente, Chindamo e Paletta anno scolastico 2012/2013 classe V pag 4 pag 4