Informatica Industriale - A
- 8 - L. Mezzalira
Informatica Industriale - A - 8
prof. Lorenzo MEZZALIRA
Interfacciamento con segnali analogici - Cap. 8
CATENA DI MISURA
TECNICHE DI CONVERSIONE A / D
ELABORAZIONI DEL SISTEMA DI ACQUISIZIONE
Cap. 8 - Interfacciamento con Segnali Analogici - Lucido 0
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La Catena di Misura
Tipicamente costituita dalla interconnessione dei seguenti
dispositivi
SENSORE
FILTRO
MULTIPLEXER
AMPLIFICATORE
SAMPLE-HOLD
CONVERTITORE A / D
DISACCOPPIATORI GALVANICI
LOGICA DI CONTROLLO (HW o SW)
ACQUISITORE (Calcolatore)
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La Catena di Misura
Sens.
F
Mux
Sens.
Optois.
A/D
S/H
Amp
F
Acquisitore
EOC
STC
Sample
Guad.
Sel. mux
Optois.
Control
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Sensori
Sfruttano opportuni Fenomeni per generare un Segnale che
rappresenta la Grandezza Fisica da Rilevare
ESEMPI: Termocoppie, Termoresistenze, Celle di carico,
Estensimetri, Dinamo tachimetriche, Potenziometri.
CARATTERISTICHE QUALIFICANTI DEI SENSORI:
• Grandezza cui sono sensibili e principio fisico
• Linearità
• Stabilità
• Sensibilità
• Dinamica propria
• Insensibilità a grandezze e fenomeni estranei
• Livello del segnale fornito
• Robustezza
• Costo proprio e degli accessori
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Filtro
PASSA - BASSO anti aliasing e per ridurre i disturbi
SOPPRIMI - BANDA di 50 Hz (60 Hz negli USA)
CARATTERISTICHE:
• Impedenza di ingresso
• Banda di frequenza
• Attenuazione
Multiplexer
A RELE' - Per es. con FLY-CAPACITOR
A STATO SOLIDO
CARATTERISTICHE:
• Numero di Linee (Canali)
• Velocità di commutazione
• Numero di commutazioni (Vita dei relè)
• Caratteristiche elettriche dei contatti
• Disaccoppiamento galvanico
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Multiplexer – Esempio di schema a Fly-Capacitor
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Amplificatore
Trasforma il segnale a livelli standard e con bassa impedenza
SCOPO
Sfruttare la parte alta della scala del convertitore A/D, dove
l’errore di quantizzazione relativo è minore.
CARATTERISTICHE:
• Impedenza di ingresso (Alta)
• Guadagno, eventualmente Programmabile
• Banda passante o Slew-rate
• Stabilità
• Linearità
• Precisione (o tarabilità) di guadagno e di offset
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Sample & Hold (Campionatore)
Memorizza e mantiene (quasi) stabile un valore analogico
CARATTERISTICHE:
• Impedenza di ingresso (Alta)
• Rapidità di adattamento in fase sample (Slew-Rate)
• Tempo di assestamento (Settling) dopo il comando di hold
• Costante di tempo del mantenimento in hold (scarica
esponenziale)
V in
Segnale
in
ingresso
t
Segnale
in
uscita
V out
t
Comando
t
Hold
Sample
Hold
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Convertitore Analogico / Digitale
Produce la codifica INTEGER su N bit
del valore analogico in ingresso
CARATTERISTICHE:
• Tecnica di conversione: confronto ad anello chiuso
misure temporali
confronto diretto
• Costo
• Velocità di conversione
• Risoluzione (numero di bit)
• Errori di conversione (vari)
• Ripetibilità
• Integrazione della misura
• Semplicità dei circuiti di servizio e di interfacciamento con
microprocessori
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ERRORI di CONVERSIONE
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Convertitori Tensione - Frequenza
Sono basati su un oscillatore VCO (Voltage Controlled Oscillator)
F (v) = Fo + k * V
La conversione consiste poi nel rilievo della frequenza
E’ un convertitore integrante e con la possibilità di variare il
compromesso tra la velocità di conversione e la risoluzione
Acquis. conteggi
VCO
V.in
Rilievo Fo
Contatore
Optois.
Enable
T
Timer
Imposta periodo T
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Convertitori ad integrazione (Rampe)
Misura di rapporti tra tempi di carica e scarica di un
condensatore
• Precisione data dal RAPPORTO di parametri
• Integranti
• Lenti (50..200 ms)
• Alta risoluzione (14..16 bit)
• Economici
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Convertitori ad Approssimazioni Successive
Tecnica a successione di passi:
Proposta di un valore digitale (a metà del campo di valori)
Conversione di tale valore in analogico
Confronto di tale valore con quello da convertire
Decisione del prossimo valore da proporre
Ripete il procedimento fino al bit LSB
CARATTERISTICHE:
• Costo relativamente contenuto
• Buona velocità - 1 .. 50 microsecondi
• Buone risoluzioni - 8 .. 16 bit
• Richiede S/H (non integra)
• Rischi di non linearità differenziale e non monotonicità
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Convertitori ad inseguimento (Tracking)
Il valore proposto per il confronto è continuamente aggiornato
con incrementi o decrementi per inseguire il valore analogico.
• Il valore del contatore Up-Down può essere letto in ogni
momento (informazione di stato)
• Non si presta all'uso di multiplexer
• Adatto per segnali relativamente lenti
OSC
V segnale
CK
CONTATORE
U/D
PORTA
INPUT
D/A
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Convertitori parallelo (Flash)
Il confronto è fatto con 2**N comparatori e altrettanti riferimenti
• Molto veloci - 10 .. 500 nanosecondi
• Risoluzioni ridotte - 4 .. 10 bit
• Applicazioni per digitalizzazione di immagini
ISOLAMENTO GALVANICO
Disaccoppia i riferimenti di massa e riduce la propagazione di disturbi e
guasti
CARATTERISTICHE DEGLI OPTOISOLATORI:
• Tensione di isolamento
• Ritardo di propagazione
• Guadagno in corrente (detto transfer rate)
• Tensione di saturazione (Elevata con darlington)
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Logica di Controllo
Generalmente è realizzata a SW nei sistemi con microprocessore
dedicato.
Le realizzazioni HW sono più costose, ma più veloci e impegnano
meno la CPU.
BIT DI COMANDO E STATO DELLA LOGICA DI CONTROLLO
A SW sono bit di porte di uscita e di ingresso
A HW sono segnali di circuiti logici.
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•
•
•
N bit di selezione canali multiplexer per 2**N canali
K bit di selezione guadagno per amplificatori a 2**K guadagni
Un bit di comando Sample - Hold
Un bit di comando Start Conversione
Un bit di stato (libero / occupato) per rilievo di Fine
Conversione (EOC = End Of Conversion)
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