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Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Componenti per il Condizionamento dei Segnali Analogici e Conversione A/D Ing. Andrea Tilli DEIS – Alma Mater Studiorum Università di Bologna E-Mail: [email protected] Revisionato: 18/11/2005 Argomenti trattati Generalità Segnali Single Ended e Differenziali Condizionamento (adattamento) e conversione A/D (catena di acquisizione) Scopo e Struttura di massima Multiplexer Amplificatore Campionatore Convertitore analogico-digitale Varianti alla struttura tipica della C. d’Acquisizione Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 2 Segnale e trasmissione single ended e differenziale Segnali Single Ended e Differenziali Î richiamo delle definizioni z in particolare per i differenziali: tensione di modo comune Trasmissione Single Ended e Differenziale obbligatoriamente differenziale per i segnali differenziali z Attenzione ai riferimenti Î single ended o differenziale per i segnali single ended z preferibile la differenziale (canale dedicato a bassa corrente) (brevi accenni su ground loop coupling e disturbi ‘capacitivi’=>schermo) Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 3 Scopo della Catena di Acquisizione Scopo generale: Ottenere la conversione in una ‘parola digitale’ della misura effettuata sul processo Scopo della Catena di Acquisizione: Convertire il segnale ottenuto dal sensore in un segnale di tensione compatibile con il range di acquisizione dell’ADC Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 4 Struttura di Massima Xi Elettronica (analogica) di condizionamento Sensore Segnale elettrico fornito dal sensore (V o I) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna Vo ADC Tensione fornita all’ADC 5 Scopo della Catena di Acquisizione Mappare in modo biunivoco il range del segnale proveniente dal sensore nel range di tensione su cui lavora l’ADC Vo Relazione lineare: Vo= A·Xi + Voffset Vo= A·(Xi - Xoffset) Xi Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 6 Scopo della Catena di Acquisizione Relazione lineare: Vo= A·Xi + Voffset Vo Vo max - Vo min A= Xi max - Xi min Vo max Voff = Vo max - A ⋅ Xi max Vo min Xi min Xi max Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna Xi 7 Scopo della Catena di Acquisizione Lo scopo funzionale principale della catena di acquisizione è, quindi, la realizzazione: del GUADAGNO A Î della TENSIONE DI OFFSET Voff Î La catena di acquisizione è essenzialmente una catena di amplificazione Altre funzioni svolte dalla catena di acquisizione: campionamento (ADC converte in tempo non nullo) Î filtraggio Î multiplexing Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 8 Scopo della Catena di Acquisizione Specifiche Funzionali di Base range dei segnali Î risoluzione Î tempo di conversione Î banda passante Î errore totale Î Queste specifiche influenzano non solo il progetto della catena di acquisizione: scelta dell’ADC Î dimensionamento della circuitistica relativa al sensore (Vref) Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 9 Scopo della Catena di Acquisizione Altre specifiche (implicite): adattamento di impedenza Î rispetto dei ratings dei componenti (saturazioni, bande passanti, correnti massime erogabili) Î massimizzazione dell’affidabilità Î minimizzazione dei costi Î Sono sempre da rispettare nel progetto Î attenzione in particolare alle saturazioni Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 10 Componenti della catena di acquisizione Struttura tipica su scheda “general purpose” 1001 D A Convertitore H S Campionatore Amplificatore Multiplexer SI SONO OMESSI I SENSORI E RELATIVA ELETTRONICA DI INTERFACCIAMENTO, ALIMENTAZIONE E EVENTUALE ISOLAMENTO. (A MONTE DEL MUX, GENERALMENTE ESTERNI PER SCHEDE DI ACQ. GENERAL PURPOSE ) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 11 Multiplexer Scopo consentire l’utilizzo di un solo convertitore A/D Caratteristiche n ingressi Î single-ended o differenziali 1 uscita Î single-ended o differenziale Tecnologia costruttiva CMOS o Bipolare Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 12 Multiplexer Caratteristiche tecniche essenziali (ADG506/507A) Ron: 280 Ω ±10% ∆Ron tra canali: 5% ∆Ron/∆T: 0.6%/ °C ton/off: 200 ÷ 500 ns Parallelismi tipici single-ended Î 8-16 canali differenziale Î 4-8 canali Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 13 Amplificatore differenziale Problemi R1 R3 - R2 + R4 Vout Impossibilità di avere resistenze uguali e con uguale coefficiente termico impedenza di ingresso dipendente dal guadagno e sbilanciata off-set ad elevato guadagno non utilizzabile in applicazioni industriali ad elevato guadagno insieme ad un sensore Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 14 Amplificatore per strumentazione Schema tipico 2 livelli Vin+ + - R R R - Rg R - Vin- R Vout + R + front-end differenziale Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 15 Amplificatore per strumentazione Calcolo del guadagno ∆V = Vdifferenziale Vcm = Vmodo comune Vcm-∆V/2 + - Vcm-∆V/2 Rg + - Rg Vcm+ ∆V/2 R e1 = Vcm - (1+2R/Rg) ∆V/2 R e2 = Vcm + (1+2R/Rg) ∆V/2 ∆V R If = ∆V/Rg Vcm+∆V/2 + front-end Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 16 Amplificatore per strumentazione Calcolo del guadagno ∆V = Vdifferenziale Vcm = Vmodo comune Vsense e1 = Vcm - (1+2R/Rg) ∆V/2 e2 = Vcm + (1+2R/Rg) ∆V/2 R R - R Vout + R Vout = (1+2R/Rg) ∆V Vref differenziale Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 17 Amplificatore per strumentazione Caratteristiche tecniche essenziali (INA110AG) Guadagno: configurabile 1,10,100,200,500 ∆G: (0.04÷0.4)% ∆G/∆T: ±(20÷100) ppm/ °C off-set rip. all’ingresso (RTI): ± (500 + 5000/G)µV ∆off-set/∆T: ±(5+100/G) µV/ °C imped. ingresso: >(1012)/6 Ω/pF settling time (0.1%): 4÷11µs CMR: 70÷110 dB Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 18 Amplificatore per strumentazione Avvertenze di uso Vin+ + - R Rg Vin- R R e R + R - Vout + R Attenzione alla saturazione del 1° stadio e = Vcm ± G*∆V/2 5 Volt se Vout = 10Volt e Vsat = 13Volt Vcm < 8 V Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 19 Amplificatore per strumentazione Avvertenze di uso Vin+ + - R Vsat Rg Vsat Vin- R R R + R - Vout + R Attenzione alle correnti di polarizzazione dello stadio di ingresso Se il sensore è flottante occorre creare un percorso verso massa altrimenti si richiudono attraverso le capacità parassite saturando gli amplificatori Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 20 Amplificatore per strumentazione Avvertenze di uso Vin+ + - R Rg Vin- R R R + R + Vsense Vout Rparass. carico R La retroazione negativa di solito si chiude fuori dall'integrato per consentire il collegamento remoto del carico in modo da neutralizzare gli effetti parassito del collegamento Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 21 Amplificatore per strumentazione Avvertenze di uso Vin+ + - R Rg Vin- R R R + R - Vsense Vout + R V ref + Vref il terminale Vref può essere collegato non direttamente a massa ma attraverso un generatore di tensione per traslare l'uscita di una quantità opportuna (Vo= A·Xi + Voffset) accertarsi che l'impedenza del persorso sia trascurabile per non danneggierebbe il CMR dell'amplificatore Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 22 Campionatore (Track and Hold) Schema di principio Vout Vin G=1 tacq. G=1 Ib T/H Driver Il campionatore ha una dinamica tempo di acquisizione il condensatore si scarica per correnti di bias droop-rate attenzione all'impedenza di ingresso: potrebbe non essere alta Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 23 Campionatore (Track and Hold) Caratteristiche tecniche essenziali (SCH298) Supply voltage: ±5V to ±18V Acquisition time (0.1%): 6µs Off-set: ±2mV Doff-set/DT: ±70 µ V/ °C Droop rate: 30 µV/ms Gain error: 0.01% Input resistance:1010Ω Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 24 Convertitore analogico-digitale Definizioni ADC realizza conversione di una tensione v∈[Vmin Vmax] in una parola digitale W a n-bit secondo una data corrispondenza Corrispondenza A-D: molteplici possibilità Î Scelta “naturale”: Parola digitale W corrisponde alla rappresentazione in base 2 del numero intero: Î ⎛ V − Vmin n ⎞ trunc ⎜ ⋅ 2 ⎟ − offset ⎝ Vmax − Vmin ⎠ Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 25 Convertitore analogico-digitale Definizioni ⎛ V − Vmin n ⎞ trunc ⎜ ⋅ 2 ⎟ − offset ⎝ Vmax − Vmin ⎠ Usualmente: Î Vmin = 0V Vmin = -Vmax Offset = 0 Î Offset = 2n-1 Î Î Æ Input Unipolare Æ Input Bipolare Æ Straight Binary data format [0, 2n-1] (usualmente quando l’input è unipolare) Æ Twos Complement data format [-2n-1, 2n-1-1] (usualmente quando l’input è bipolare) In genere, stesso ADC consente di selezionare diverse modalità di funzionamento Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 26 Convertitore analogico-digitale Osservazioni Quantizzazione “in ampiezza”: Î Î Î Î Inevitabile nel passaggio da analogico a digitale Perdita informazioni Æ errore di quantizzazione z Risoluzione dell’A/D Diversi metodi di quantizzazione (troncamento): z ceil, round, floor NB in sistemi di controllo digitale: z Quantizzazione temporale: campionamento z Quantizzazione aritmetica: trunc ampiezza e aritmetica finita La prima è trattata ampiamente (teoria dei sistemi e del controllo per sistemi tempodiscreti) la seconda meno (errori numerici, cicli limite…). Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 27 Convertitore analogico-digitale Numerose tipologie ad integrazione rampa Î doppia rampa Î in retroazione successive approssimazioni Î contatore Î Sigma-Delta Î per l’automazione conversione diretta Î flash Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 28 Convertitore analogico-digitale Criteri di scelta Rampa S. appross. Σ-∆ tempo conversione elevato basso medio risoluzione elevata elevata Molto elevata immunità ai disturbi disponibilità elevata bassa media limitata elevata elevata costo limitato strumentazione Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna cresce col Molto limitato n. di bit controllo 29 Convertitore analogico-digitale Convertitore per successive approssimazioni Principio di funzionamento Ricerca dicotomica della parola digitale che dà la corretta rappresentazione secondo la formula vista in precedenza Si parte da bit più significativo: z Se V>Vmin+(Vmax-Vmin)/2 bit => 1 altrimenti bit => 0 Î Si itera la stessa procedura per i bit successivi congelando i risultati precedenti Î Spesso soluzioni ibride: flash SAR Î Bit piu’ significativi con flash Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 30 Convertitore analogico-digitale Convertitore per successive approssimazioni Schema di principio Clock Vin + - OEH S A R 3 s t a t e 8 4 interfaccia di uscita OEL DAC Ref nucleo base Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna Vrefout Vrefin generazione del riferimento 31 Convertitore analogico-digitale a succ. approx. Caratteristiche tecniche essenziali (AD674B) pinout standard industriale risoluzione: 12 bit Errore di non linearità: ±1LSB tempo conversione: 15µs (esistono dispositivi con tempo di conversione anche <1µs, misti SAR-Flash con anche S/H a bordo) off-set: ±2LSB ∆off-set/∆T: 10 ppm/ °C impedenza ingresso: <7kΩ riferimento tensione interno: si interfaccia bus: 8-16 bit funzionamento bipolare: si Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 32 Convertitore analogico-digitale Σ-∆ IDEA DI BASE CICLO LIMITE + OVERSAMPLING + FILTRAGGIO ⇓ AUMENTO DELLA RISOLUZIONE Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 33 Convertitore analogico-digitale Σ-∆ Caratteristiche tecniche essenziali banda passante: centinaia di Hz, 1-2 KHz risoluzione: fino a 24 bit errore linearità: 1/2 LSB (numero di bit elevato!!) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 34 Varianti alla Catena di Acq. “general purpose” Eliminazione del S&H Î Con un S&H per ogni canale Î dinamiche lente campionamento sincrono Con amplificazione separata per ogni canale scheda dedicata, con sensori diversi Î adattamento di impedenza S&H-Mux Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 35 Ulteriori Considerazioni Temporizzazioni della Acquisizione tempi di assestamento dei diversi dispositivi Î “sovrapposizione” delle operazioni Î Utilizzo di filtri per la limitazione della banda passante eliminazione dei rumori ad alta frequenza Î posizionati sempre prima del multiplexer Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 36 Esempio Esempio di dimensionamento: scelta dell’ADC Î utilizzo di amplificatori di strumentazione e operazionale Î calcolo di A e Voff Î verifica della saturazione del primo stadio ed eventuale amplificazione multistadio Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 37 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Componenti per il Condizionamento dei Segnali Analogici e Conversione A/D FINE Ing. Andrea Tilli DEIS – Alma Mater Studiorum Università di Bologna E-Mail: [email protected]
