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
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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
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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
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Struttura di Massima
Xi
Elettronica
(analogica)
di condizionamento
Sensore
Segnale elettrico
fornito dal sensore
(V o I)
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Vo
ADC
Tensione
fornita all’ADC
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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
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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
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Xi
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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
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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
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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
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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 )
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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
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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
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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
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Amplificatore per strumentazione
Schema tipico
2 livelli
Vin+
+
-
R
R
R
-
Rg
R
-
Vin-
R
Vout
+
R
+
front-end
differenziale
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
⎠
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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
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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…).
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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
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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
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cresce col
Molto limitato
n. di bit
controllo
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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
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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
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Vrefout
Vrefin
generazione
del riferimento
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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
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Convertitore analogico-digitale Σ-∆
IDEA DI BASE
CICLO LIMITE + OVERSAMPLING + FILTRAGGIO
⇓
AUMENTO DELLA RISOLUZIONE
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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!!)
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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
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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
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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
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Ingegneria e Tecnologie
dei
Sistemi di Controllo
Componenti
per il Condizionamento dei
Segnali Analogici e Conversione A/D
FINE
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E-Mail: [email protected]
