1 Sistema di acquisizione dati Sistema di monitoraggio e di controllo

Sistema di acquisizione dati
Sistema di monitoraggio e di controllo
L'elaborazione consiste nella trasformazione di una sequenza d'ingresso u(n) in una sequenza
d'uscita y(n) operata da un algoritmo S
y(n) = S[u(n)] 1.1
Se definiamo sistema a tempo discreto (o, più brevemente, sistema discreto) un sistema che trasforma una sequenza in un'altra sequenza, possiamo schematizzare l'elaborazione come in fig. 1.
u(n)
y(n)
S
fig.1
dove il blocco S rappresenta in generale un qualunque sistema in grado di acquisire la sequenza
u(n), applicare ad essa l'algoritmo S e dare in uscita il risultato costituito dalla sequenza y(n).
La fig.1 è un modello adatto per i sistemi di elaborazione digitale come i calcolatori, in quanto
essi eseguono le proprie operazioni sulla base di un clock e quindi sono intrinsecamente a tempo
discreto. Più precisamente, un calcolatore legge in successione i valori della sequenza u(n), opera su di essi eseguendo il programma che codifica l'algoritmo 5 di trasformazione ed emette in
successione i valori della sequenza y(n).
I risultati dell'elaborazione potranno, secondo le esigenze, essere memorizzati (registrati) e/o
visualizzati (presentati) sulle periferiche del calcolatore o inviati verso altri utilizzatori, anche
remoti.
DEF sistema di distribuzione dati è l'insieme dei dispositivi che permettono di inviare i segnali
dall'unità di elaborazione verso gli utilizzatori,
Il campo applicativo dell'elaborazione numerica DSP (Digital Signal Processing) non si limita a
queste normali situazioni operative: è possibile, entro certi limiti ed approssimazioni che
analizzeremo nel corso dell'unità, applicare con successo le tecniche numeriche anche ai segnali
analogici, che sono la quasi totalità dei segnali della nostra vita quotidiana (ad esempio la voce
umana). A tal fine, il segnale analogico viene trasformato in una sequenza numerica, formata dai
campioni temporali estratti da esso periodicamente (processo di campionamento), per successive
elaborazioni, memorizzazioni, trasmissioni, ecc.
Con la definizione: di sistema di acquisizione dati si intende l'insieme dei dispositivi che consentono di rilevare i valori assunti da segnali analogici (che rappresentano grandezze fisiche come
temperatura, pressione, posizione, accelerazione, ecc.), campionandoli e convertendoli in forma
digitale.
La struttura di un sistema di acquisizione ed elaborazione dati è pertanto da :
trasduttore, circuiti di condizionamento, filtro passa-bassa, Sample & hold, convertitore A/D,
logica di controllo ed elaboratore.
Molte delle applicazioni dei sistemi di acquisizione, elaborazione e distribuzione dati sono
riconducibili a due categorie:
• monitoraggio: misura delle grandezze di un sistema naturale o artificiale c;. fine di seguire (da
intendersi spesso nel senso di sorvegliare) la sua evoluzione nel tempo (ad esempio, sistemi
clinici di monitoraggio, sistemi ~ monitoraggio di impianti, ecc.);
• controllo: misura delle grandezze di interesse di un sistema al fine di ma-~ tenerle costanti o di
variarle secondo una evoluzione temporale predet~·minata (ad esempio, controllo di processi
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tecnologici, di impianti semaforici, nel puntamento delle antenne per la ricezione e
trasmissione dell’informazioni via satellite, ecc.).
Nelle applicazioni di monitoraggio, in genere i dati rilevati sono inviati verso sistemi
utilizzatori diversi da quelli d'origine che hanno fornito l'informazione. La struttura di un sistema
di monitoraggio è dunque ad anello aperto
Nelle applicazioni di controllo occorre invece modificare i valori di quale: parametro dello
stesso sistema controllato, pertanto la struttura è ad anello chiuso.
L'utilizzo di un metodo di elaborazione numerica del segnale analogico potrebbe sembrare
un'inutile complicazione, dato che quest'ultimo potrebbe essere manipolato ricorrendo a delle
tecniche analogiche ma i motivi a favore del DSP sono:
• i dispositivi ed i segnali numerici risultano ben più affidabili e stabili nel tempo degli analoghi
in forma analogica;
• il crescente sviluppo tecnologico dei chi P integrati ha spinto e sta tuttora spingendo il mercato
della microelettronica verso dispositivi veloci per il DSP, i quali hanno da tempo raggiunto ed
ampiamente ridotto i costi di progetto e di realizzazione degli stessi apparati prodotti in tecnica
completamente analogica;
• in molti casi le tecniche DSP sono utilizzate per elaborare più segnali analogici
contemporaneamente, intercalando nel tempo campioni rappresentativi di ciascun segnale
elaborato, secondo una tecnica definita multiplazione a divisione di tempo (si veda il par. 11.3.2);
i vantaggi che si ottengono sono un'accresciuta capacità di elaborazione e di trasmissione rispetto alle convenzionali tecniche analogiche, unita mente ad un sensibile risparmio economico,
dato che si ha la possibilità di fare gestire allo stesso computer il controllo di diversi processi,
anche molto complessi;
• il DSP offre il grosso vantaggio di passare da un sistema di tipo cablato (il funzionamento
dipende dal circuito realizzato e quindi è difficilmente modificabile), a uno programmabile ( lo
stesso sistema può svolgere diverse funzioni in relazione al programma, che è facilmente
modificabile);
• i sistemi programmabili, attraverso l'elaborazione numerica, hanno permesso di realizzare
funzioni e operazioni complesse, la cui equivalente realizzazione con circuiti analogici sarebbe
risultata di estrema complessità o addirittura non realizza bile. Lo sviluppo dell'automazione
(elettrodomestici, ascensori, impianti civili, robot industriali, ecc.) è stato infatti possibile grazie
all'introduzione dei sistemi programmabili all'interno della catena del controllo automatico.
Tutto ciò ha determinato un orientamento sempre più diffuso ad affrontare i vari problemi
partendo da schematizzazioni di tipo numerico, ovvero con l'acquisizione di grandezze analogiche
caratterizzanti la realtà esterna e la conseguente, eventuale, elaborazione che determina
l'indicazione o l'esecuzione delle azioni necessarie per risolvere il problema.
Si è visto prima che un generico sistema è costituito essenzialmente da tre blocchi:
acquisizione, elaborazione e distribuzione. Nei prossimi paragrafi analizzeremo le catene di
acquisizione e distribuzione dati.
Architettura di una catena di acquisizione dati
In questo paragrafo verranno trattati i concetti indispensabili per la corretta acquisizione di un
segnale analogico attraverso un elaboratore. In altre parole, affronteremo il problema
dell'interfacciamento di un calcolatore, che acquisisce e produce segnali elettrici digitali, con il
mondo delle grandezze analogiche, in modo da stabilire una corrispondenza fra il mondo reale
analogico e il mondo digitale del calcolatore.
I sistemi di acquisizione dati hanno dunque la funzione di acquisire segnali analogici in forma
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digitale e sono impiegati per molteplici scopi, ad esempio per memorizzare i dati in vista di un
ulteriore utilizzo, per visualizzarli facilmente su un video, per analizzare i segnali ed elaborarli
matematicamente, per controllare processi industriali o altri di varia natura, per trasmettere il
segnale digitale ottenuto a piccole o grandi distanze, con i vantaggi della trasmissione digitale su
quella analogica, ecc.
Anche se la varietà delle applicazioni non consente esaurienti generalizzazioni, in un sistema di
acquisizione dati si possono comunque individuare elementi e funzioni frequentemente ricorrenti.
Si esaminano ora, nelle linee essenziali, le configurazioni tipiche dei sistemi di acquisizione dati
evidenziando la funzionalità di ciascun blocco e l'interazione fra i blocchi stessi.
Catena di acquisizione ad un solo canale
Dato un sistema di acquisizione ad un solo canale, analizziamo le varie fasi del processo di
acquisizione, discutendo la funzione di ciascun blocco della catena.
Trasduttore
Per consentire la misura di una grandezza fisica con strumenti elettronici, il primo blocco
della catena è un trasduttore, la cui funzione è:
~ trasformare la grandezza fisica in ingresso in una grandezza elettrica di valore
proporzionale all'entità o alla variazione della grandezza fisica in esame.
Si suppone che il trasduttore sia di tipo analogico, ovvero fornisca un'uscita analogica
altrimenti se fosse di tipo digitale il sistema di acquisizione non comprenderebbe il convertitore
A/D e i circuiti di condizionamento avrebbero funzioni diverse rispetto al caso di segnale
analogico. Indicando con UF (t) la grandezza fisica in ingresso e con Uf{t) quella d'uscita,
formalmente il loro legame è:
UE (t) ≡ m*UF (t)
dove m è una costante di proporzionalità caratteristica di ciascun trasduttore. Non si è usato il
simbolo di uguaglianza perché in generale la relazione di proporzionalità non è esatta, ma è una
buona approssimazione.
Circuiti di condizionamento
Il segnale elettrico analogico fornito dal trasduttore non ha generalmente le caratteristiche
adeguate per essere elaborato; ad esempio è troppo debole e pertanto deve essere amplificato.
I dispositivi che svolgono la funzione di adattare le caratteristiche elettriche del segnale per
renderlo adeguato ai circuiti successivi vengono detti circuiti di condizionamento. A seconda
delle esigenze specifiche, i circuiti di condizionamento possono svolgere tutte o solo in parte le
seguenti funzioni:
• conversione corrente-tensione, quando il trasduttore fornisce in uscita un segnale in corrente,
poiché il convertitore non è in grado di convertire solo segnali in tensione;
• amplificazione e traslazione di livello del segnale per adattarlo ai valori richiesti dal
convertitore;
• isolamento, quando possono generarsi nella catena di acquisizione valori di tensione
pericolosi per le apparecchiature e/o le persone (ad esempio nelle apparecchiature
elettromedicali);
• linearizzazione analogica delle curve di risposta di quei trasduttori aventi una caratteristica
non lineare.
Filtro passa-basso
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L'altra operazione spesso necessaria di condizionamento, è il filtraggio.
Nel caso di segnali lentamente variabili, serve per separare il segnale dal rumore o da
interferenze acquisite lungo i cavi di collegamento del sistema. Ad esempio, specialmente in
ambienti industriali, è assai frequente che ai segnali lentamente variabili da acquisire (ad
esempio di temperatura) siano sovrapposti disturbi indesiderati, derivanti da armoniche di rete o
da interferenze elettromagnetiche, con componenti spettrali sensibilmente superiori alle
componenti spettrali dei segnali. È possibile allora ridurre l'influenza del disturbo sul segnale
utile mediante l'operazione di filtraggio, la quale consiste nell'attenuare quanto più è possibile
le componenti di Fourier che costituiscono il disturbo, alterando il meno possibile le
componenti di Fourier del segnale. Questo viene normalmente realizzato con un filtro passabasso, anche se non mancano occasioni di usare filtri passa-banda, quando il segnale utile
presenta uno spettro limitato e si vogliono eliminare i disturbi al di sopra e al di sotto di tale
spettro.
Nel caso di segnali rapidamente variabili, l'operazione di filtraggio è indispensabile per
evitare il fenomeno dell'aliasing dovuto alla sovrapposizione dello spettro originale con il primo
spettro replica generato dal campiona mento del segnale, mediante limitazione, a monte del
blocco campionatore, dello spettro del segnale d'ingresso.
Prima di entrare nel blocco compionatore, il segnale analogico viene quindi filtrato tramite un
filtro, detto filtro anti-aliasing, il quale provvede a ridurre la massima frequenza del segnale per
rispettare il vincolo del teorema di Shannon:
fi ≤fc/2
dove fc è la frequenza di campionamento ed fi, la massima frequenza del segnale in ingresso al
campionatore.
La limitazione dell'occupazione di banda di frequenza del segnale utile comporta
l'eliminazione delle componenti di Fourier di frequenza più elevata, abbastanza irrilevanti
perché ciò provochi una reale perdita di informazione del segnale originario. In particolare,
il filtro anti-aliasing è necessario in apparati dove la frequenza di campionamento risulta
prefissata, quindi non adattabile al segnale che viene campionato.
In sintesi, il blocco di condiziona mento fornirà in uscita una tensione UEC(t) che varia in un
campo di valori definito, legati alla tensione di ingresso UE(t) in modo il più possibile
lineare, ma ripulita in parte dal rumore e con una eventuale limitazione di banda, ovvero
UEC(t) ≡ A*uE(t) + q
dove la costante q tiene conto dell'eventuale traslazione di livello del segnale, attuata per
rientrare nella dinamica di ingresso del successivo blocco cf conversione, mentre la costante A
riassume le altre operazioni di condizionamento (eventuali conversioni corrente-tensione,
amplificazione, ecc.).
Sample & Hold
In uscita dal blocco di condizionamento abbiamo un segnale analogico i:. basso rumore e
proporzionale alla grandezza da acquisire. Prima dell'elaborazione occorre trasformare il
segnale analogico in sequenze di bit, corrispondenti al valore del segnale in istanti di tempo
prefissati. La trasformazione avviene logicamente in due fasi: il segnale analogico deve
innanzitutto essere campionato ad intervalli di tempo predeterminati (campionamento) ~ il valore
della funzione così ottenuto deve essere mandato ad un circuito, detto convertitore A/D
(Analogico/Digitale) capace di trasformarlo in un numero secondo un codice prestabilito.
Proprio quest'ultima operazione, richiedendo tempi relativamente lunghi, può avvenire
correttamente solo se il campione rimane presente all'ingresso del convertitore per tutto il tempo
di durata della conversione e non cambia il suo valore.
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Il problema non si pone quando i segnali da acquisire sono lentamente variabili (come la
variazione della temperatura di un ambiente), perché in questi casi la grandezza fisica si può
ritenere costante per tutto il tempo della conversione. Pertanto, il segnale di uscita del blocco di
condiziona mento può essere dato direttamente in ingresso al convertitore A/D. Se invece i
tempi di variazione del segnale sono confrontabili con quelli di conversione, occorre che il
campione sia mantenuto costante all'ingresso del convertitore finché questo non ha compiuto la
sua operazione.
Per ottenere tale risultato si usa un dispositivo detto circuito Sample&Hold (5&H), che ha la
funzione di campionare (5ample) il segnale d'ingresso in un certo istante e mantenere la
tensione di uscita fissa su quel valore (Holci) per tutto il tempo intercorrente fino al successivo
comando di campionamento. In altre parole, poiché mantiene costante il valore della tensione
presente all'ingresso del convertitore A/D per tutta la durata della conversione, il S&H svolge la
funzione di memoria analogica.
Un circuito S&H può essere rappresentato mediante un blocco con tre terminali: uno d'ingresso
(V), uno d'uscita (Vu) e uno di comando (S&H). Il valore applicato all'ingresso S&H ("1" o "0")
definisce le fasi di "Sample" e di "Hold" in cui può operare il dispositivo. Come mostrato in
modo idealizzato quando il terminale S&H vale "1" è attivata la fase di Sample" in cui l'uscita
Vu assume lo stesso andamento dell'ingresso Vi; quando invece S&H vale "0", il circuito opera
in fase di "Hold" in cui Vu è costante e pari all'ultimo valore assunto da Vi un attimo prima che
S&H scendesse a zero.
:..
Il convertitore AD
Il dispositivo che effettua le operazioni di quantizzazione e codifica, ovvero trasforma un segnale
analogico in un codice binario è il convertitore A/D (Analogico/Digitale), indicato anche con
ADC (Analogical to Digital Converter). In pratica l'operazione di quantizzazione viene effettuata
dividendo l'intervallo degli infiniti valori del segnale d'ingresso in un determinato numero di
sottointervalli o fasce e associando a tutti i valori dell'ingresso Vi appartenenti alla stessa fascia
un unico valore (solitamente il valore medio fra i due estremi), detto livello di quantizzazione.
Successivamente, ad ogni livello di quantizzazione viene associato un codice binario composto di
n bit.
Il segnale analogico condizionato e campionato, se necessario, ha un'ampiezza che può assumere
infiniti valori fra due limiti prefissati. I tipi di dati. accettati dagli elaboratori numerici sono
invece sempre un insieme discreto c valori finiti e sono in genere in un formato codificato
binario.
Per avere un segnale numerico adatto per l'elaborazione sono allora necessarie due operazioni:
• quantizzazione, consiste nel sostituire l'ampiezza analogica, variabile in un intervallo continuo,
con una ampiezza quantizzata, che può assumere sole una serie discreta di valori, rappresentabili
con numeri finiti (e limitati);
• codifica, consiste nell'associare al dato numerico fornito dall'operazione precedente un codice
binario composto da n bit.
Caratteristica di trasferimento. La corrispondenza tra sottointervalli e valori del codice numerico è
descritta dalla caratteristica di trasferimento dell'ADC In fig. è riportata la caratteristica di
trasferimento di un convertitore A/D a tre bit. Si suppone che il convertitore accetti in ingresso un
intervallo di tensioni compreso fra O e VFS, quest'ultima detta tensione di fondoscala del convertitore.
Il numero di valori discreti o codici binari esprimibili con tre bit sono 23 = 8. L'intervallo O -;- VFS
viene pertanto diviso in 23 parti, ciascuna di ampiezza:
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dove Q è detto quanto o passo di quantizzazione. Ai valori discreti Vq = 0, VFS /8, 2VFS/8, ... , 7VFS/8
dell'ingresso analogico si fanno corrispondere rispettivamente i valori 000, 001, 010, ... , 111
dell'uscita digitale. Si individuano poi gli intervalli di larghezza Q centrati sui valori discreti da VFS/8 a
7VFS/8; quando la tensione d'ingresso assume un valore all'interno di un certo intervallo, ad essa viene
attribuito lo stesso valore digitale che corrisponde al punto medio di quell'intervallo.
Dalla fig. parte a si nota che i valori d'ingresso compresi fra O e 0.5 VFs/8 sono codificati con 000,
ovvero il primo intervallo di quantizzazione è largo Q/2; inoltre, il valore massimo dell'ingresso
analogico che viene codificato è ViM = VFS - Q/2. La relazione tra i valori digitali b0, b1 b2 ed i valori
della tensione d'ingresso è quindi data dalla relazione:
dove i coefficienti bi possono assumere i valori 1 e 0, indicando la presenza o meno della
potenza di 2 che li accompagna.
In generale, in un convertitore a n bit sono possibili 2n valori discreti e l'intervallo di variabilità della
grandezza analogica da 0 a VFS viene suddiviso in 2n parti; pertanto il passo di quantizzazione vale:
e la relazione tra i valori di Vi e la sua rappresentazione in forma digitale è:
Si noti che l'espressione ha validità limitata ai segnali
unipolari e alla loro conversione secondo codice binario
naturale; esistono altre possibilità di conversione che
utilizzano codici binari diversi. Nelle applicazioni sono comuni convertitori A/D con uscita a 8,
10, 12, 16 bit.
Per sincronizzare il funzionamento del convertitore con l'elaboratore, la conversione del segnale
di ingresso Vi inizia quando il dispositivo riceve un segnale di inizio conversione Sc (Start
Conversion) dalla logica di controllo del sistema. A sua volta, il convertitore segnala
all'elaboratore la fine della conversione mediante il segnale Eoc (End Of Conversion).
Questo segnale è spesso utilizzato per generare una richiesta di interruzione all'elaboratore; ciò
comporta che il microprocessore, terminata l'istruzione che sta eseguendo, esegue la routine
prevista di risposta all'interruzione ed infine ritorna al programma principale.
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La routine di risposta alla richiesta di interruzione fa attivare, mediante la logica di controllo, il
segnale OE (Output Enable) che permette al convertitore di porre sulle uscite digitali b0, b1, . , bn-1
il valore numerico corrispondente a quello analogico d'ingresso, permettendo così la lettura del
dato da parte dell'elaboratore.
Parametri caratteristici. L'analisi della caratteristica della figura in alto lato a, mette in evidenza
alcuni dei principali parametri caratteristici dei convertitori A/D:
•
Dinamica della tensione d'ingresso, ovvero il campo dei valori consentiti della tensione
d'ingresso; essa permette di individuare il valore massimo della tensione d'ingresso Vi max' che è
pari alla tensione VFS - Q/2. Per gli ADC unipolari i valori tipici di VFS sono compresi tra 0 - 5 V
oppure 0 - 10 V, per quelli bipolari fra -5 - +5 V. Da qui discende la necessità di operazioni di
condizionamento, quali traslazioni di livello ed amplificazioni, per fare in modo che il segnale
d'uscita del trasduttore rientri nella finestra d'ingresso del convertitore e la occupi tutta, per
ridurre il peso relativo dell'errore implicito nel processo di quantizzazione .
•
Risoluzione, indicata con R, è l'intervallo dei valori di tensione d'ingresso corrispondente
ad un livello di codifica. Dalla figura si deduce che essa è uguale al passo di quantizzazione e
quindi, per un convertitore a n bit, vale:
R = VFS /2n
Il nome deriva dal fatto che essa rappresenta l'imprecisione con cui il codice d'uscita esprime il
valore dell'ingresso analogico che lo ha determinato, in quanto il codice è associato a tutti i
valori di tensione compresi in un intervallo pari al passo di quantizzazione. Ad esempio, se il
codice binario subisce una variazione del bit meno significativo, indicato con LSB (Leas;:
Significant Bit), il nuovo codice rappresenta tutti i valori di tensione compresi nel passo di
quantizzazione immediatamente precedente o successivo, a seconda che la variazione sia stata
una diminuzione o un incremento. Questo significa anche che la risoluzione è la minima
variazione del segnale d'ingresso che sicuramente può essere rivelata in uscita, perché comporta
la variazione del LSB anche se la variazione inizia dall'estremità del passo di quantizzazione.
•
Errore di quantizzazione o incertezza, indicato con s, rappresenta il livello di
indeterminazione della corrispondenza tra codice binario e segnale d'ingresso, dovuto al fatto che
gli infiniti valori della grandezza analogica. sono sostituiti dal valore centrale Vq dell'intervallo
stesso. Tutti i valori dell'intervallo diversi dal valore centrale, considerato come il valore "ideale",
sono quindi affetti da un errore di quantizzazione. Il valore massimo dell'errore è pari a metà
della risoluzione:
Per un convertitore a 3 bit, l'andamento dell'errore in funzione del valore della tensione d'ingresso
è riportato in figura lato b. Si osserva che s = 0 V quando Vi è pari al valore centrale di ogni
intervallo; l'errore aumenta in modo lineare fino a raggiungere il suo massimo, pari alla metà
della risoluzione, negli estremi dell'intervallo. Dalla relazione sull’errore max, si vede che per
ridurre l'errore di quantizzazione, occorre diminuire l'ampiezza del passo di quantizzazione
aumentando il numero dei bit dell'ADC. L'errore di quantizzazione è equivalente ad un rumore,
detto rumore di quantizzazione, sovrapposto al livello di Vi corrispondente al centro dell'intervallo.
Se il numero dei livelli di quantizzazione è sufficientemente grande, la perdita d'informazione
dovuta alla quantizzazione può essere resa inferiore al rumore prodotto da altre cause e comunque
sovrapposto al segnale utile. Nella fig. 2 è riportato un esempio di un segnale analogico applicato
ad un convertitore A/D a tre bit con fondo scala VFS = 8 V; il quanto vale quindi Q = 1 V.
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Considerando la caratteristica di figura 1a, i valori compresi nella fascia 0-;- 0.5 V sono sostituiti
dal valore 0 V; quelli nella fascia 0.5 -;- 1.5 V sono sostituiti dal valore 1 V e così via, fino alla
fascia 6.5 -;- 7.5 V, i cui valori sono sostituiti dal valore 7 V. I valori discreti ottenuti sono
codificati in binario. In fig.2a sono riportate una tensione analogica d'ingresso Vi e la
corrispondente tensione quantizzata Vq, ottenuta con i criteri sopra esposti; in fig. 2b è disegnato
l'andamento dell'errore di quantizzazione .
•
Tempo di conversione, indicato con TS1 è il tempo impiegato dai circuiti dell'ADC per
trasformare un valore della tensione d'ingresso in un codice numerico. Secondo la risoluzione del
convertitore e del metodo di conversione utilizzato, il tempo di conversione può variare da circa
200 µs a 10 µs. Per eseguire correttamente la conversione è necessario che il valore del segnale
presente all'ingresso del convertitore non vari per tutta la durata della conversione. In tal caso il
dato d'uscita ha un'accuratezza di
In generale, il segnale d'uscita dei circuiti di condizionamento è variabile pur se in molti casi
lentamente. La variazione del segnale analogico d'ingresso durante il tempo di conversione
comporta, oltre all'errore di quantizzczione, un'ulteriore incertezza, relativamente a quale valore
di Vi è stato effettivamente quantizzato. Infatti, se l'ingresso ha all'inizio della conversione un
valore coincidente con un estremo dell'intervallo di quantizzazione, basta una variazione
infinitesima in un senso o nell'altro per determinare il cambiamento del LSB: il contenimento
dell'errore entro LSB/2 non è più ottenibile. Tuttavia, se la variazione dell'ingresso durante il
tempo di conversione è inferiore a 1 LSB, il codice d'uscita dell' ADC rileva un dato che
differisce dal valore iniziale dell'ingresso entro lo stesso errore di 1 LSB, ovvero l'accuratezza
della conversione è in valore assoluto di 1 LSB.
Errori. In un ADC ideale la caratteristica di trasferimento dovrebbe essere quella di fig. 1a, ma
numerosi fattori tecnologici fanno sì che nella pratica la caratteristica si discosti da quella
teorica, determinando uno scarto tra valore teorico corrispondente al segnale d'ingresso e
quello effettivamente ottenibile all'uscita. Per definire gli errori ci si avvale della caratteristica
di trasferimento dei convertitori.
In fig.3 sono riportati gli effetti dei diversi errori, nell'ipotesi che ciascuno degli errori
esemplificati agisca separatamente dagli altri. In ogni figura, la caratteristica di trasferimento
teorica è riportata in tratto sottile, quella reale (affetta da errore), con tratto più spesso.
Oltre all'errore di quantizzazione, di cui si è già parlato, gli ADC possono essere affetti da:
Errore di offset (fig. 3a): è un valore costante che si somma alla tensione da convertire ed in
pratica corrisponde al codice che si ha in uscita quando all'ingresso non viene applicato il
segnale.
Errore di guadagno (fig.3b): è la differenza (normalmente espressa in LSB), tra la tensione
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d'ingresso che dovrebbe dar luogo ad un codice d'uscita pari al fondo scala e la effettiva tensione
che produce quel fondo scala.
Errore di non linearità differenziale (fig. 3c): misura la massima deviazione rispetto al valore
ideale quando il codice varia di 1 LSB; il suo valore massimo è di :±: 1 LSB.
Errore di non linearità integrale (fig. 3d): è la massima deviazione tra il valore teorico e quello
reale corrispondente alla codifica di un livello di tensione.
Logica di controllo
La logica di controllo riceve i segnali dal bus indirizzi e di controllo dell'elaboratore e deve
generare i segnali di abilitazione per il convertitore (SC e OE) e quello per il campionamento ed
il mantenimento del circuito S&H.
Elaboratore
Nella maggior parte delle applicazioni, i dati digitali forniti dall' ADC sono inviati all'unità di
elaborazione (ad esempio un PC) in formato parallelo, collegando le uscite dell'ADC al bus dati.
L'interfacciamento può essere organizzato in due modi:
•con accesso diretto alla memoria (DMA: Direct Memory Access), che consente elevatissime
velocità di trasferimento, perché i dati di uscita del convertitore A/D vengono trasferiti
direttamente a locazioni di memoria dell'elaboratore senza passare preventivamente attraverso i
registri del µP La tecnica DMA presenta però lo svantaggio di richiedere una complessa e
costosa circuiteria esterna, che trova giustificazione solo quando è necessaria un'elevata velocità
di trasferimento dei dati;
•con conversione e lettura controllate da programma, Con questa soluzione l'ADC è identificato
da un indirizzo che può essere selezionato con istruzioni della CPU, che avvia il processo di
conversione inviando un comando di se. La lettura del dato può avvenire con diverse modalità:
•ciclo di ritardo, di durata almeno pari al tempo di conversione dell' ADC;
•interrogazione ciclica della linea EOC per determinare l'istante in cui la conversione è
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completata e un nuovo dato è presente sulle uscite dell' ADC;
•lettura su interruzione, in cui la linea EOC è collegata alla linea INT della CPU e pertanto la
segnalazione EOC provoca una richiesta di interruzione.
In tutti i casi, con un'opportuna istruzione, la CPU provvede a leggere il dato abilitando mediante
la linea OE le uscite dell'ADC. L'elaboratore, mediante il ruolo fondamentale giocato dal
software, secondo le applicazioni potrà memorizzare i dati, effettuare elaborazione su di essi,
controllarne il trasferimento ad un dispositivo remoto, ecc.
Catena di acquisizione multicanale
Spesso è necessario rilevare più grandezze fisiche diverse. Si pensi, ad esempio, di voler
osservare (eventualmente elaborare, controllare, trasmettere) l'evoluzione temporale di pressione,
temperatura, umidità e luminosità all'interno di un ambiente. La struttura del sistema di
acquisizione sarà costituita da quattro catene de tipo di quella monocanale, ognuna delle quali è
preposta al trattamento de segnale elettrico proveniente dal rispettivo trasduttore; in altri termini,
le catene di acquisizione sono in parallelo e indipendenti le une dalle altre, almeno fino al filtro
passa-basso incluso. All'elaboratore deve arrivare un segnale alla volta, poiché esso è solo uno ed
opera in modo sequenziale. A seconda delle esigenze specifiche, si possono adottare soluzioni
diverse, ma in ogni caso per presentare all'elaboratore sequenzialmente i dati digitali relativi a
ciascun segnale si dovrà ricorre a tecniche di multiplazione a divisione di tempo (TDM Time
Division Multiplexing), ovvero assegnare ciclicamente ai vari canali per un intervallo di tempo
limitato l'accesso al bus dati dell'elaboratore.
Multiplazione analogica
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Nel caso in cui la velocità di variazione dei segnali sia "sufficientemente bassa" e non sia
necessario conoscere i valori dei segnali nello stesso istante, la struttura più adatta per collegare
più trasduttori ad un unico elaboratore è quella riportata in fig. 11.15.
Si nota la presenza di un multiplatore analogico, indicato con AMUX (Analogical Multiplexer),
schematizzato come un commutatore elettronico a più ingressi ed una sola uscita. Tra tutti i
segnali presenti agli ingressi, è trasferito in uscita solo quello selezionato dalla combinazione
digitale presente agli ingressi di selezione, indicati in figura con So, S1, ... Sn
La tecnica di selezione del canale, mediante un MUX analogico, è detta multiplazione analogica.
Tra i parametri che caratterizzano un MUX analogico ci sono:
• tempo di assestamento: è il tempo impiegato dal segnale di uscita per stabilizzarsi entro una
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certa banda di errore, valutata rispetto al segnale d'ingresso, dopo la selezione del canale;
• velocità di commutazione: è la massima velocità di commutazione da un canale all'altro.
In fig. 11.15 è rappresentato un tipo di convertitore direttamente interfacciabile con
l'elaboratore. Sono messi in evidenza i segnali: CS e WR, che portati ambedue a livello alto
danno l'avvio alla conversione (sostituiscono SC); il segnale RD, che portato alto insieme con CS
abilita l'uscita dei dati (sostituiscono OE); il termine della conversione è segnalato dal segnale
INT (sostituisce EDC).
La gestione del flusso di informazioni verso l'unità di elaborazione è fondamentale. Occorre
infatti che il circuito S&H, l'AMUX e l'ADC siano sincronizzati. La gestione del sistema di
acquisizione inizia con l'indirizzamento del canale sul multiplexer; dopo un intervallo di tempo
pari al tempo di assestamento del multiplexer si può procedere all'abilitazione del S&H, che
campionerà l'uscita del multiplexer; l'operazione di acquisizione sarà quindi completata attivando
il convertitore A/D, mentre l'input dei dati potrà essere realizzato successivamente all'impulso di
INT. Le funzioni di selezione, in modo sequenziale oppure dipendente dalle esigenze specifiche
(ad esempio, i canali relativi a segnali più veloci o a segnalazioni di emergenza potranno essere
selezionati più frequentemente), di temporizzàzione e sincronizzazione sono svolte dal blocco di
controllo, pilotato dall'unità di elaborazione.
La soluzione di fig. 11.15 è vantaggiosa dal punto di vista economico e della progettazione
perché prevede un unico convertitore A/D e, se necessario, un unico circuito S&H, ma la
selezione del canale prima della conversione comporta che essa sia adatta ad acquisire segnali
lentamente variabili. Infatti, se i canali sono N e ognuno è campionato alla stessa frequenza fc e
scegliendo quella più elevata nel caso di frequenze diverse tra i canali, allora il S&H e l'ADC
devono lavorare con una frequenza
f T = Nfc
perché tra un campione e l'altro di uno stesso segnale sono elaborati tutti gli N canali. Si vede che
la frequenza di campionamento cresce proporzionalmente con fe ed N. Tuttavia, le velocità dei
circuiti S&H e di conversione pongono un limite alla frequenza di campionamento. Se fT max è la
massima frequenza di lavoro del S&H e/o dell'ADC dovrà essere:
fc ≤ f Tmax/N
f l ≤ f Tmax/5N
(1)
In altre parole, se la banda (fl) degli N segnali soddisfa la relazione è possibile effettuarne la
conversione con un unico sistema di conversione, perché la sua velocità consente di prelevare in
successione campioni dagli N segnali senza perdere il contenuto di informazione di ciascuno di
essi.
Se i segnali da acquisire variano così lentamente da essere quasi continui, il circuito S&H non
è necessario ed è possibile utilizzare convertitori a più canali d'ingresso, ad esempio 8 o 16
canali. Nello schema di fig. 11.15 non sarebbe presente, oltre al S&H, nemmeno l'AMUX in
quanto la funzione di selezione del canale è svolta dall'ADC stesso.
Nello schema di fig. 11.15 l'acquisizione dei singoli segnali avviene sequenzialmente. Nelle
applicazioni in cui è necessario conoscere i valori assunti dai segnali nello stesso istante, come
nel caso in cui le grandezze siano tra loro correlate, si deve campionare simultaneamente tutti i
segnali d'ingresso. Si può allora adottare la soluzione che per ogni canale viene utilizzato un
circuito S&H a monte del multiplexer.
In tal caso la logica di controllo attiva contemporaneamente tutti i circuiti S&H, che nella fase
di Hold memorizzano i valori campionati dei segnali, successivamente fa selezionare e convertire
in forma digitale i campioni uno di seguito all'altro. Il S&H utilizzato in questa struttura dovrà
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avere una velocità di decadimento sufficientemente bassa, tale da mantenere il valore campionato
per il tempo richiesto dalla multiplazione e dalla conversione di tutti i segnali. Il campionamento
sincrono consente una maggiore velocità di acquisizione rispetto allo schema di fig. 11.15.
Multiplazione digitale
Quando si ha l'esigenza di trattare segnali a frequenza elevata, per i quali non sia possibile
rispettare la relazione [1] con le configurazioni precedenti, ciascun canale deve essere dotato di
un proprio S&H e ADC, poiché ogni convertitore può lavorare alla massima velocità sul segnale
del rispettivo canale. Si dovrà poi adottare una tecnica di multiplazione per collegare sequenzialmente i canali al bus dati dell'elaboratore; in questo caso, la tecnica di selezione è detta
multiplazione digitale. Si potrebbe ricorrere ad un multiplexer digitale, ma ciò porta ad una
notevole complessità circuitale, specie se gli ADC sono numerosi e ad elevata risoluzione.
Pertanto si preferisce adottare la soluzione con i convertitori A/D collegati in parallelo al bus dati
dell'elaboratore.
Per non far nascere conflitti sulle linee del bus dati, solo un convertitore alla volta deve porre
le proprie uscite digitali sul bus. A tal fine si devono utilizzare convertitori dotati di
Il buffer three-state è un dispositivo logico che in uscita, oltre ai normali stati logici 1 (High) e
O (Low), può presentare anche un terzo stato, detto di alta impedenza (HZ da High-Z). Nello stato
di alta impedenza l'uscita del dispositivo può ritenersi scollegata dall'ingresso ed è in uno stato
fluttuante. Oltre i terminali di ingresso e di uscita, il dispositivo ne possiede uno di abilitazione
che serve a portarlo o meno nello stato di alta impedenza. T
I buffer relativi ai vari ADC vengono abilitati uno alla volta mediante le linee che dalla logica di
controllo, pilotata dall'elaboratore, vanno ai CS dei singoli ADC. Ciò consente di collegare al bus dati
solo il convertitore selezionato in quel momento, permettendogli di inviare il campione convertito all'elaboratore, mentre le uscite di tutti gli altri convertitori sono mantenute nello stato di alta impedenza.
1\ metodo di conversione con più ADC in parallelo risulta particolarmente vantaggioso nei sistemi di
acquisizione dati industriali, dove i trasduttori sono dislocati in una vasta area e in un ambiente
rumoroso. I segnali analogici possono essere convertiti alla fonte e trasmessi all'elaboratore in forma
digitale, in modo che la lunghezza del collegamento non crei grossi problemi nei confronti dei disturbi,
poiché i segnali digitali presentano una più elevata immunità ai disturbi di quelli analogici.
La tecnologia di questi sistemi di acquisizione è oggi molto diffusa e sul mercato sono presenti
convertitori A/D con il circuito S&H integrato nello stesso chip, o anche convertitori con S&H e MUX
interno, che consentono di ridurre la complessità circuitale del sistema.
Architettura di una catena di distribuzione dati
I sistemi di distribuzione dati hanno lo scopo di inviare, ovvero distribuire, i segnali digitali
generati dall'elaboratore ai dispositivi utilizzatori ad essi collegati. Infatti, dopo che le grandezze
fisiche del fenomeno reale sono state acquisite, spesso il risultato delle elaborazioni deve
nuovamente interagire con l'ambiente esterno.
I dispositivi che utilizzano l'informazione elaborata, ultimo anello della catena di distribuzione,
sono chiamati attuatori e svolgono la funzione di trasformare un segnale elettrico in una grandezza
fisica, richiesta dall'applicazione, dando così la possibilità di agire sull'ambiente esterno.
Per esempio, si possono visualizzare informazioni, intervenire per modificare un processo di
riscaldamento, la velocità o la posizione angolare dell'albero di un motore, attivare sistemi di
allarme, ecc., sia localmente che a distanza.
La struttura di un sistema di distribuzione dati dipende da numerosi fattori. I dati d'uscita del
sistema di elaborazione possono essere utilizzati in forma digitale o analogica.
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Nel caso del trasferimento dei dati digitali a dispositivi attuatori di tipo digitale (visualizzatori
numerici, stampanti, motori passo-passo, ecc.) non è richiesta la conversione digitale-analogica.
Nella maggior parte dei casi però gli utilizzatori sono di tipo analogico e, per adattare i segnali
alle caratteristiche degli utilizzatori stessi, richiedono sia la conversione digitale-analogica che
operazioni di filtraggio e amplificazione.
Un altro fattore condizionante è la distanza (breve, media e lunga) a cui devono essere inviati i
dati. In particolare la distribuzione a media e lunge distanza impone l'impiego di tecniche proprie
della trasmissione dei segnali.
In questo paragrafo sono esaminati gli schemi di principio delle configurazioni tipiche dei sistemi
di distribuzione dati, relativi a situazioni in cui i dar digitali devono essere convertiti in segnali
analogici per poter pilotare attuatori analogici posizionati a breve distanza dall'elaboratore.
E’ il processo inverso a quello che avviene nei sistemi di acquisizione dati, dove le grandezze
fisiche sono trasformate in digitali per poter essere acquisite e trattate nei sistemi di elaborazione,
in quanto l'elaboratore invia dati ir. forma digitale ed il sistema di distribuzione li trasforma in
segnali analogici.
In altre parole, si affrontano le problematiche relative alla generazione dsegnali analogici
mediante computer e si analizzano le caratteristiche funzionali dei dispositivi usati.
Catena di distribuzione ad un solo canale
Sia dato un sistema di distribuzione dati analogico ad un solo canale, adatto al caso di dover agire
su un unico attuatore per modificare una determinata grandezza fisica (posizione velocità,
temperatura, ecc.), esaminiamo di seguito le varie fasi del. processo di distribuzione, discutendo
la funzione di ciascun blocco della catena.
Registro d'ingresso
In corrispondenza dell'istruzione di output l'elaboratore fornisce il dato digitale in formato
parallelo sulle linee del bus dati. L'istruzione si esplica in un tempo relativamente breve e
pertanto i "livelli utili" sul bus dati vi permangono solo per un tempo molto limitato.
Il dispositivo che effettua la conversione digitale-analogica, per operare correttamente richiede
che il dato digitale fornito ai suoi ingressi sia stabile per un tempo maggiore di quello impiegato
dall'elaboratore. È quindi necessario interporre tra l'elaboratore ed il dispositivo di conversione
un circuito di interfaccia che svolga la funzione di memorizzare sulle proprie uscite il dato
fornito dall'elaboratore, solo per un breve periodo, sul bus dati. Questo compito è svolto dal
registro che è un dispositivo digitale capace di memorizzare parole binarie
L'elaboratore pone il dato sulle linee del bus dati e attraverso la logica di controllo invia in
sincronismo il segnale di abilitazione LE (Latch Enable) al registro, che memorizza sulle sue
uscite lo stato delle linee del bus dati, garantendo la stabilità della parola digitale in ingresso al
convertitore fino all'emissione del dato successivo da parte dell'elaboratore. La stabilità del dato
digitale comporta anche la stabilità della corrispondente uscita analogica del blocco di
conversione tra successivi aggiornamenti dei dati e consente una ricostruzione fedele del segnale
analogico. Per ridurre la complessità circuitale del sistema è consigliabile utilizzare convertitori
con il registro già incorporato; infatti, in tal caso il dato digitale presente sul bus dati può essere
inviato direttamente al convertitore.
Logica di controllo
È normalmente costituita da semplici circuiti di decodifica, e di temporizzazione in alcuni
casi, che debbono fornire i segnali di abilitazione per il registro o per il registro d'ingresso del
convertitore, se esso è incorporato.
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Convertitore D/A
Il segnale digitale, dopo essere stato elaborato dal calcolatore, deve essere convertito in un
segnale analogico, in grado di agire sull'attuatore di tipo analogico. I dispositivi che effettuano la
conversione digitale-analogica sono detti convertitori digitali-analogici, detti anche convertitori
D/A (Digital to Analogica/) o DAC (Digital to Analogical Converter).
Un convertitore D/A trasforma la parola digitale di n bit, applicata al suo ingresso, in livelli di
tensione ad essa proporzionali in uscita. In fig. 11.19a è riportato il simbolo di un convertitore
D/A a n bit; si hanno n ingressi, b0, b1, ... bn-1, ed un'uscita analogica Vu. In fig. 11.19b è
rappresentata la caratteristica di trasferimento di un DAC a 3 bit, che illustra sotto forma di
diagramma la relazione fra tensione analogica d'uscita ed ingresso digitale nel caso le parole
digitali siano di 3 bit.
Le combinazioni possibili con 3 bit all'ingresso sono 23 = 8 e sono riportate sull'asse delle
ascisse, da 000 a 111; ad ognuna di esse si fa corrispondere un valore dell'uscita analogica.
Indicando con VFS la tensione di fondo scala del convertitore, si divide l'intervallo 07- VFS in otto
parti uguali, ciascuna di ampiezza VFs/8; ai valori dell'ingresso digitale 000, 001, ... , 111 si fanno
corrispondere i valori dell'uscita analogica O, VFS /8, ... , 7 VFS /8. La differenza fra due livelli
contigui della tensione analogica d'uscita è detta quanto della conversione, è indicata con Q e vale
VFS /8. Come si vede in figura, il peso dei bit bo, b" b2 è rispettivamente VFS /8, 2 VFS /8 e 4 VFS /8.
Pertanto, applicando il principio di sovrapposizione degli effetti si può scrivere
dove N è il valore decimale del codice binario d'ingresso, che mostra la proporzionalità tra l'uscita
analogica e l'ingresso digitale.
Parametri caratteristici. Tra i principali parametri che caratterizzano le prestazioni dei convertitori,
vi sono:
• Risoluzione. Dalla [11.19] si nota che quando il bit meno significativo bo cambia da 0 a 1 o
viceversa, Vu cambia di VFs/2n = Q. Questa è la variazione minima che si può avere in uscita ed
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è detta risoluzione del convertitore, indicata con R, in quanto rappresenta il grado di "finezza"
con cui il convertitore può ricostruire una grandezza analogica
R= VFS /2n
• Massima tensione d'uscita: è inferiore alla tensione di fondo scala, come si può dedurre sia
dalla caratteristica in fig. 11.19b, sia dalla relazione [11.19] ponendo tutti i bit uguali a 1
• Tempo di assestamento: è il tempo impiegato dall'uscita del DAC per stabilizzarsi entro una
specificata banda di errore (di solito ± 1/2 LSB) dopo un cambiamento del codice d'ingresso.
Valori tipici sono dell'ordine di 100 ns -o- 1 µs.
• Glitch: sono gli impulsi di tensione spuri (glitch) dovuti alla non simultaneità delle
commutazioni che si verificano all'interno dei convertitori in corrispondenza di una transizione
del codice. Se la successione dei codici da convertire è lenta la presenza del glitch è poco
avvertibile; se 'invece i dati in ingresso al convertitore si presentano ad un ritmo elevato, la
durata dei glitch diventa paragonabile a quella dei livelli utili. In quest'ultimo caso, l'effetto dei
glitch è ridotto notevolmente impiegando all'uscita del convertitore un circuito deglitcher,
costituito essenzialmente da un S&H che campiona il segnale quando la conversione D/A è
terminata ed il segnale è stabile.
• Errori. Nella pratica intervengono numerosi fattori che causano un allontanamento dalla
caratteristica di trasferimento ideale di fig. 11.19b. Per evidenziare gli effetti dei vari tipi di
errori, supponiamo che ciascuno di essi agisca separata mente dagli altri. Gli errori principali
che possono insorgere in un DAC sono:
Errore di offset (di zero): è un valore continuo che si somma alle tensioni convertite
modificandole di una quantità fissa; in pratica è la tensione che si ha in uscita quando il codice
d'ingresso è 0 La caratteristica di trasferimento risulta traslata parallelamente rispetto a quella
ideale
Errore di guadagno: è la differenza fra la tensione d'uscita ideale e quella effettiva quando
all'ingresso è applicata una parola digitale con tutti i bit uguali a 1. In conseguenza di questo
errore, la pendenza della caratteristica di trasferimento è diversa da quella ideale. Gli errori di
offset e di guadagno possono essere corretti, del tutto o in parte mediante operazioni esterne di
taratura.
Non linearità: consiste nel fatto che i punti della caratteristica non stanno su una retta. Viene
definito errore di non linearità integrale la massima deviazione dei punti, in percentuale del
fondo scala o in frazioni di LSB, dalla caratteristica rettilinea ideale Si definisce anche l'errore
di non linearità differenziale come la massima deviazione, in frazioni di LSB, tra l'incremento
reale dell'uscita analogica e il gradino ideale di 1 LSB che due codici digitali consecutivi
dovrebbero produrre.
In conclusione, il convertitore D/A genera in uscita un segnale analogico, continuo nel tempo ma
discreto nelle ampiezze, detto gradinata analogica, in cui ciascuna ampiezza discreta,
corrispondente ad un codice binario d'ingresso al DAC, viene mantenuta costante fino
all'aggiornamento del dato d'ingresso..
Filtro passa-basso
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Ricordando il teorema di Shannon, per trasformare la gradinata analogica nel corretto segnale
analogico è sufficiente utilizzare un filtro di ricostruzione, ovvero un filtro passa-basso la cui
curva di risposta sia il più possibile piatta all'interno della sua banda passante e con frequenza di
taglio tale da lasciar passare tutte le componenti dello spettro del segnale analogico ed eliminare
le componenti di alta frequenza degli spettri replica.
In pratica, il segnale analogico ottenuto all'uscita del filtro è una copia "smussata" della
gradinata analogica d'uscita del DAC, ottenuta pensando di raccordare i vari campioni e
aggiungendo uno sfasamento. Il filtro attenua inoltre i disturbi che il sistema necessariamente
genera. Tuttavia, la presenza del filtro non è sempre necessaria e dipende dal tipo di attuato re
che utilizza il segnale. Ad esempio, se l'attuatore è una resistenza di riscaldamento, l'inerzia
termica del sistema effettua una funzione filtrante ampiamente soddisfacente. Se invece
consideriamo il caso di un lettore di Compact Disc, in cui l'informazione numerica contenuta
nel medesimo deve essere trasferita ad un altoparlante, è necessario un filtraggio raffinato.
Amplificatore di potenza
L'amplificazione ed altri eventuali condizionamenti servono a modificare il segnale in relazione
all'utilizzatore. In genere, l'attuatore è un dispositivo che richiede per il funzionamento correnti
e tensioni elevate, mentre il segnale in uscita dal convertitore o dal filtro è di bassa potenza e
non è quindi in grado di pilotarlo direttamente.
Occorre perciò eseguire sul segnale un processo di amplificazione di potenza, la cui funzione è
di aumentare il livello di potenza del segnale per renderlo adatto a pilotare l'attuatore.
Attuatore
Esso costituisce il dispositivo di uscita del sistema di distribuzione dati e svolge la funzione di
trasformare il segnale elettrico in una grandezza fisica, dando così la possibilità di agire
sull'ambiente esterno. Esempi di attuatori sono: i motori, che trasformano il segnale elettrico in
movimento; gli altoparlanti, che trasformano il segnale elettrico in vibrazioni acustiche
Catena di distribuzione multicanale
Nel caso si debbano inviare dati a più attuatori analogici è necessario utilizzare più catene di
distribuzione monocanale. Ciascuna di esse è indipendente dalle altre, essendo preposta alla
manipolazione del segnale elettrico del rispettivo attuatore.
Una delle configurazioni più usate, detta distribuzione ad un convertitore D/A per canale, è
schematizzata in fig. 11.23, in cui si suppone di adoperare un DAC con registro interno.
L'elaboratore fornisce il dato digitale in formato parallelo e, in sincronismo, attraverso la logica
di controllo invia i segnali di abilitazione (LE) per i registri, consentendo di selezionare, di volta
in volta, il registro del convertitore cui deve essere inviato il dato presente sul bus dati. Viene
così effettuata una demultiplazione digitale, in quanto l'elaboratore distribuisce i dati in
forma digitale ai vari canali e successivamente il convertitore di ciascun canale li trasforma in un
segnale analogico. Per ciascun DAC, i dati da convertire possono essere aggiornati in modo
sequenziale o con cadenza determinata dalle specifiche esigenze applicative. La struttura della
catena multicanale verrebbe semplificata utilizzando integrati che contengano al loro interno più
convertitori D/A.
Questa tecnica di demultiplazione consente una notevole velocità di trasferimento dei dati, ma
presenta l'inconveniente dell'elevato numero di linee di collegamento con i convertitori, in
particolare se essi sono distanti dal sistema di elaborazione. Il problema può essere in parte
superato impiegando la trasmissione in serie dei dati, anziché la trasmissione parallela. Questo
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comporta però una notevole riduzione della velocità di distribuzione, per i tempi richiesti dalle
conversioni parallelo-serie dei dati forniti dall'elaboratore ed eventualmente una conversione serieparrallelo, in prossimità del DAC, se esso non è del tipo ad ingressi seriali. Inoltre la logica di
controllo della temporizzazione è molto più complessa. Altro svantaggio è dovuto ai costi
relativamente alti per l'elevato numero di convertitori.
Il problema non si pone se sono impiegati attuatori ad ingresso digitale, come le stampanti ed i
motori passo-passo, che non richiedono l'impiego del convertitore D/A; al loro posto ci sarebbero
allora solo i registri.
Strutture multicanale alternative alla precedente, che consentono l'impiego di un solo
convertitore D/A, si basano su una tecnica di demultiplazione analogica realizzabile mediante
l'impiego di un demultiplatore analogico (ADEMUX: Analogical Demultiplexer), oppure mediante
l'impiego di più circuiti S&H opportunamente sincronizzati.
Un demultiplatore analogico è costituito da un multiplatore analogico dello stesso tipo di quelli
usati per la multiplazione dei segnali analogici in fase di acquisizione dati, collegato però in modo
inverso (un ingresso ed n uscite). La distribuzione dei dati convertiti, forniti dal DAC, ai vari
attuatori, avviene selezionando le varie uscite dell' ADEMUX, in sequenza o con cadenza determinata dalle esigenze dell'applicazione, e memorizzando di volta in volta il dato analogico con un
S&H, che campiona il segnale quando è abilitato il corrispondente canale del demultiplexer e lo
mantiene fino all'aggiornamento successivo.
La gestione per mezzo del software dei segnali di abilitazione, che debbono rispettare precise
sequenze, è abbastanza complessa. Infatti, la logica di controllo deve fornire per ciascun canale:
- il segnale di abilitazione per memorizzare il dato, messo sul bus dati dall'elaboratore, nel registro
interno al DAC, che lo converte in dato analogico; - i segnali So, S1, ... , Sk che selezionano il canale
su cui si desidera inviare il segnale presente all'uscita del convertitore D/A;
- i segnali per il Sample e poi per l'Hold del S&H del canale prescelto.
Ripetendo la procedura esposta, il dato analogico agisce sull'attuatore dopo essere stato filtrato,
se necessario, e amplificato.
Questa configurazione ha il vantaggio, nei confronti della distribuzione a più convertitori, di
essere più semplice, per il minor numero di linee di collegamento se il DAC è lontano, e meno
costosa, perché impiega un solo convertitore; ha l'inconveniente di avere una velocità di
trasferimento dei dati più bassa, perché i dati di tutti i canali sono convertiti da un solo convertitore, per i tempi di commutazione e di assestamento dell'ADEMUX e per il tempo di acquisizione
del S&H.
Una struttura di distribuzione simile è così definita.
Il convertitore D/A riceve i dati digitali, eventualmente in sincronismo con un segnale di
abilitazione (LE); l'uscita del DAC è connessa a diversi circuiti S&H posti in parallelo, tanti quanti
sono i dispositivi utilizzatori. La logica di controllo, pilotata dall'unità di elaborazione, fornisce a
ciascun dispositivo S&H il comando di campionamento (S1 ... , SN) quando il rispettivo dato
digitale viene convertito e successivamente il segnale di mantenimento, che memorizza, in modo
analogico, il segnale fino all'aggiornamento successivo.
I vantaggi e gli svantaggi di questa configurazione, rispetto a quella a più convertitori, sono
analoghi alla configurazione precedente.
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