Acquisizione di segnali per l`elaborazione digitale.
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Acquisizione di segnali per l’elaborazione digitale. Il segnale generato dai trasduttori in genere non è idoneo per la diretta elaborazione da parte dell’unità di governo che realizza un algoritmo di controllo, ma occorre interporre uno o più stadi di trattamento del segnale in cui vengono effettuate tutte le operazioni necessarie alla corretta acquisizione del segnale Acquisizione di segnali per l’elaborazione digitale. Scelta la lunghezza di parola in base all’accuratezza desiderata, occorre scegliere i componenti della catena di acquisizione in modo che il bilancio totale dell’errore soddisfi la relazione, o e Vs è il campo di variazione ove aria ione del segnale d’ d’uscita scita del sensore e 2N la lunghezza l nghe a di parola (numero (n mero di bit) del convertitore analogico digitale. L’errore L errore complessivo introdotto dalla catena di acquisizione è: dove ei sono tutte le possibili sorgenti di errore introdotte dal trasduttore e dalla catena di acquisizione. Condizionamento del segnale Lo stadio di condizionamento del segnale comprende tutti i circuiti che trasformano i segnali di uscita dei sensori, spesso non omogenei per natura (corrente, tensione, resistenza, ecc.), per livello, e per tipo (tensione continua, alternata, pulsante, ecc.) in segnali elettrici di tipo omogeneo adatto all’elaborazione da parte dell’unità dell unità di governo. governo Le principali funzioni dello stadio di condizionamento sono: Attenuazione/amplificazione di segnali troppo elevati/bassi. Eliminazione di disturbi sovrapposti al segnale utile (filtraggio). Isolamento galvanico dei dispositivi elettronici di elaborazione dalla fonte di segnale. Trasformazione in corrente dei segnali di tensione generati dai sensori per rendere possibile la trasmissione su medie-lunghe distanze. I circuiti di condizionamento si distinguono in: Attivi, se fanno uso di componenti amplificatori, per la messa in scala o l’isolamento. Passivi, Passivi come ad esempio i filtri, filtri i circuiti di attenuazione attenuazione, i convertitori AC/DC, AC/DC corrente-tensione corrente tensione ecc. Amplificatori E’ spesso necessario introdurre un dispositivo che funga da adattatore elettrico tra i trasduttori e i moduli di elaborazione del segnale in modo da compensare. Tensione di uscita non idonea. L’uscita dei trasduttori in genere ha un livello troppo basso, non idoneo alla successiva conversione in formato digitale. p di uscita dei trasduttori Elevata impedenza Sbilanciamento della impedenza di uscita di trasduttori con uscita differenziale Tensione di modo comune elevata Inoltre può essere necessario: Isolare elettricamente il trasduttore dal circuito di acquisizione. Ciò è spesso richiesto per motivi di sicurezza, oppure per migliorare l’immunità ai disturbi ambientali. Proteggere i circuiti elettrici del sistema di acquisizione da possibili danneggiamenti nel caso in cui il trasduttore sia inserito in circuiti di elevata potenza. Amplificatori Operazionali Caratteristiche ideali di un amplificatore operazionale sono: Guadagno di tensione ad anello aperto ∞ Impedenza I d d’ingresso d’i ∞ Impedenza d’uscita nulla Larghezza di banda ad anello aperto ∞ L’amplificatore operazionale è utilizzato sempre in configurazione retroazionata, per evitare che esso saturi (Vout = Vcc) anche per piccoli segnali in ingresso. Con la retroazione si ottiene anche un notevole miglioramento delle prestazioni dinamiche del circuito, soprattutto in termini di larghezza di banda. Amplificatori di strumentazione L applicazioni Le li i i tipiche ti i h di un amplificatore lifi t operazionale i l nell campo del d l condizionamento di i t dei d i segnali li riguardano la realizzazione di: p cato invertenti e te t e non o invertenti e te t Amplificatori Sommatori analogici Amplificatori di corrente Convertitori tensione-corrente Amplificatori differenziali e amplificatori per strumentazione Amplificatori ponte Integratori Differenziatori Diff i t i Amplificatori di strumentazione L’ L’amplificatore lifi t di strumentazione t t i è un di dispositivo iti integrato i t t caratterizzato tt i t da: d una elevata impedenza di ingresso basse correnti di polarizzazione elevata reiezione della tensione di modo comune ingressi differenziali ben bilanciati caratteristiche elettriche stabili al variare della temperatura. Il dispositivo è composto da tre amplificatori operazionali. I primi due amplificano la tensione differenziale, differenziale mantenendo inalterata la tensione di modo comune comune. Il terzo esegue la reiezione della tensione di modo comune. Filtri g L’ambiente industriale è caratterizzato dalla presenza di una moltitudine di disturbi elettromagnetici che possono alterare il contenuto informativo dei segnali utili. Per eliminare i disturbi è necessario introdurre degli stadi di filltraggio, che modificano cioè la caratteristica spettrale del segnale, eliminando le armoniche a determinate frequenze. I filtri possono essere descritti attraverso la funzione di trasferimento T(s) o la funzione di attenuazione A(s): In base alla banda passante i filtri si distinguono in: Passa-basso (Low-pass) Passa-alto (High-pass) Passa-banda (Band-pass) Eli i b d (Band-reject Elimina-banda (B d j t o Notch-Filter) N t h Filt ) I filtri più utilizzati sono i passa-basso, poichè i disturbi hanno un contenuto armonico a frequenza molto più elevata del segnale utile. L L’uso uso di filtri notch (elimina (elimina-banda), banda), si rende necessario invece per eliminare possibili risonanze. I filtri possono essere analogici, cioè realizzati con circuiti elettronici, in genere in forma integrata, o digitali, cioè implementati numericamente con un microprocessore. Filtri In un filtro ideale si ha transizione a gradino tra la banda passante e la banda oscurata. Nei filtri reali invece c’è una zona di transizione, inoltre è spesso presente un ripple della banda passante. Pertanto, una certa attenuazione viene introdotta anche per alcune armoniche del segnale utile. L’errore indotto dall’attenuazione del filtro nel segnale digitalizzato deve essere inferiore a 1/2 LSB. Filtri analogici Filtri passivi RLC: adatti a realizzazioni in forma discreta poiché le induttanze sono difficili da realizzare nei circuiti integrati. Filtri attivi RC: in questi filtri si utilizzano amplificatori, in grado di “emulare” la funzione di trasferimento di una induttanza. Sono però affetti da problemi legati alle dimensioni massime e alla precisione ed alla stabilità delle resistenze nelle realizzazioni con circuiti integrati. Filtri attivi a condensatori commutati: sono i più idonei all’integrazione, poichè “simulano” le resistenze. Filtri digitali Infinite Impulse Filter (IIR) o Filtri Ricorrenti, il valore di uscita dipende dai campioni precedenti dell’ingresso e dai valori precedenti dell’uscita. Finite Impulse Filter (FIR) o Filtri Non Ricorrenti Ricorrenti, il valore di uscita dipende solo dai campioni precedenti dell’ingresso. La loro implementazione richiede maggiore memoria degli IIR (più campioni per realizzare la stessa azione filtrante), ma non essendo “retroazionati” non hanno problemi di stab tà stabilità. Aliasing Aliasing dovuto al campionamento: come noto, un segnale campionato ha un andamento spettrale caratterizzato da ripetizioni dello spettro originario centrate su multipli della frequenza di campionamento. Pertanto, per evitare la sovrapposizione delle componenti spettrali occorre utilizzare una frequenza di campionamento fc che rispetti il teorema di Shannon: dove fmax è la larghezza dello spettro del segnale originario, e fc,min = 2fmax viene detta anche frequenza di Nyquist. Aliasing dovuto ai disturbi: se vi sono componenti di rumore a frequenza maggiore di fmax ed il campionamento viene effettuato con frequenza prossima a quella di Nyquist, il rumore si sovrappone i i di bil irrimediabilmente t alle ll bande b d di interesse i t nello ll spettro tt del d l segnale l campionato. i t Le possibili soluzioni al problema dell’aliasing sono: Presampling cioè l’inserimento di filtri passa-basso prima del campionamento. In questo caso si parla di Filtri anti-aliasing. Oversampling cioè il campionamento a frequenza molto maggiore di fc,min (8 ÷ 500 × fmax), ed il successivo filtraggio digitale del segnale. Aliasing In realtà la frequenza di Nyquist va considerata come un valore limite teorico. In pratica infatti si utilizza una frequenza di campionamento superiore per i seguenti motivi: l’ipotesi del teorema di Shannon è che il segnale sia ricostruito a partire dallo spettro campionato con un ricostruttore ideale non realizzabile in un sistema di controllo. il sistema i t fi i controllato fisico t ll t sii trova t a ricevere i in i ingresso i degli d li scalini li i di ampiezza i di dipendente d t dal tempo di campionamento. Queste variazioni, se troppo brusche, possono sollecitare dinamiche non modellate e fare insorgere oscillazioni. all’interno di un periodo di campionamento, il sistema evolve in catena aperta. Campionare a frequenza maggiore permette di controllare meglio le eventuali oscillazioni legate alle dinamiche trascurate. il periodo di campionamento impone anche un ritardo inevitabile nella risposta del sistema. Minore èquesto ritardo, minori sono le problematiche legate alla stabilità. Isolatori galvanici. Spesso la parte operativa di una macchina automatica si trova ad operare a tensioni e correnti molto elevate, potenzialmente dannose sia per l’uomo che per la circuiteria dell’unità di governo. Nel caso in cui i collegamenti a massa siano differenti (e molto distanti tra loro) per le sorgenti di segnale e per i dispositivi di misura, si deve tener conto della possibile differenza di potenziale fra le due masse di riferimento, che può essere anche di notevole entità. Per evitare che queste problematiche possano danneggiare l’unità di governo o degradare la qualità del segnale acquisito, occorre utilizzare degli isolatori galvanici per interrompere la continuità elettrica tra la parte operativa (sensori ed attuatori) e l’unità di governo. L’isolamento è realizzato in modo diverso per i diversi tipi di segnali. g analogici g in alternata si p può usare un trasformatore di isolamento,, Per i segnali Per i segnali analogici a bassa frequenza occorre uno speciale amplificatore di isolamento. Per i segnali logici, non essendo richieste caratteristiche di linearità, viene solitamente sfruttato l’accoppiamento optoelettronico tra due fotodiodi o tra un foto-diodo e un foto-transistore. Amplificatore di isolamento Un amplificatore di isolamento è un dispositivo la cui funzione primaria consiste nel fornire un isolamento galvanico tra lo stadio di ingresso e quello di uscita. Un amplificatore di isolamento è solitamente costituito da uno stadio amplificatore di ingresso (con amplificatore operazionale o di strumentazione) e da uno stadio di isolamento a guadagno unitario. La barriera di isolamento può essere realizzata secondo diverse modalità di accoppiamento: Capacitivo Optoelettronico Trasformatorico Trasmissione dei segnali analogici Quando i sensori sono posti a distanze relativamente elevate dal sistema di campionamento i segnali elettrici in tensione sono convertiti in segnali di corrente nell’intervallo 4÷20 mA. Questo metodo di trasmissione detto Loop di Corrente, presenta i seguenti vantaggi: Possibilità di diagnosticare guasti o interruzioni, in quanto essendo stabilito il livello minimo a 4 mA, un segnale nullo viene identificato come rivelatore di un guasto. gg insensibilità al rumore,, in quanto q i disturbi di tensione lungo g le linee di trasmissione Maggiore vengono attenuati dal regolatore di corrente. Possibilità di trasmettere ad una distanza maggiore a parità di accuratezza richiesta. Quando le distanze di trasmissione non sono molto grandi si utilizzano segnali di tensione di 0 ÷5 V, 0 ÷ 10 V e ±10 V per i segnali analogici e 0 ÷ 24 V per i segnali logici. Multiplazione del segnale Nei processi industriali in cui sono presenti decine di sensori, non è economico riservare a ciascun segnale un sistema di acquisizione (amplificazione, conversione analogica/digitale) dedicato. In tal caso lo schema di acquisizione prevede uno stadio di multiplazione dei segnali in ingresso in un unico canale di acquisizione, implementato mediante particolari dispositivi denominati multiplexer. Un multiplexer consente di commutare n canali analogici in ingresso in un unico canale analogico di uscita La commutazione viene comandata da un segnale digitale che codifica il canale di ingresso da uscita. selezionare. Un segnale logico di Enable consente di disattivare tutti contemporaneamente, ottenendo una disconnessione completa del canale di uscita. gli interruttori Multiplazione del segnale Il multiplexer analogico presenta un comportamento dinamico rilevante, in quanto durante le commutazione tra due canali, che generalmente si trovano a differenti potenziali, le capacità parassite associate al componente, al trasduttore connesso al canale attivo ed al carico (in generale un amplificatore) producono dei ritardi temporali nell’assestamento del segnale. Per tenere conto di questi effetti il costruttore del componente dichiara un tempo di assestamento (settling time) che corrisponde al tempo necessario affinché il segnale si assesti all’interno di una fascia centrata attorno al valore di regime. L’ampiezza della fascia di assestamento èmisurata in percento del valore di regime. Campionatura e tenuta (sample and hold). Un dispositivo Sample and Hold (S/H) serve a mantenere ad un valore fisso il segnale analogico da convertire, e quindi evitare variazioni durante il processo di conversione. Dal punto di vista logico il S/H ha due stati di funzionamento: Lo stato di “sample” o “tracking”, in cui il segnale analogico che si presenta in ingresso al componente viene riportato all all’uscita uscita, in genere con guadagno unitario. unitario Lo stato di “hold”, in cui il segnale analogico di ingresso al componente in un certo istante,viene mantenuto costante all’uscita. Convertitore analogico digitale (ADC) Il convertitore analogico-digitale, o ADC, riceve in ingresso un segnale analogico continuo e restituisce un segnale digitale codificato proporzionale al segnale di ingresso. I principi di conversione più utilizzati sono: ADC ad approssimazioni successive. ADC a conversione parallela (“flash-converter”). ADC ad approssimazioni successive Il convertitore ad approssimazioni successive è basato su di un procedimento iterativo a successive approssimazioni generate tramite un procedimento di prova-ed-errore basato sul confronto dell’ingresso da convertire con l’uscita di un DAC (Digtal to Analog Converter). Un DAC traduce una parola binaria x ad N bit in una tensione Vo, secondo una proporzione equivalente al rapporto tra una grandezza analogica di riferimento Vs (il fondo scala analogico) e il massimo valore binario rappresentabile 2N (fondo scala digitale). ADC ad approssimazioni successive Un DAC è costituito in linea di principio da una rete resistiva a struttura variabile formata da resistenze di valore R, 2R, 4R, . . . , 2N-1R, dove N è il numero di bit del convertitore. Ogni resistenza è connessa ad un interruttore, chiuso o aperto a seconda del valore logico assunto dal bit corrispondente. corrispondente La somma delle correnti che attraversano le varie resistenze dipende dal valore binario associato ad ogni bit, e dal valore della corrispondente resistenza. Tale corrente viene convertita nella tensione d’uscita Vo attraverso un amplificatore operazionale retroazionato, che opera da convertitore corrente/tensione. La tensione Vo varia tra 0, che si ottiene con [BN-1=0,. . . ,B0=0] a Vs(1-1/2N) che discende dalla configurazione [BN-1=1,. . . ,B 0=1]. ADC ad approssimazioni successive Lo schema di principio del DAC non è mai usato a causa di problemi legati alla grande variabilità dei valori delle resistenze della rete di resistenze. Si verificano infatti comportamenti dinamici diversi nei vari rami e derive termiche differenti dei componenti. I pratica, lo schema di un DAC comprende solo valori l i di resistenza i t R e 2R. 2R La corrente d’uscita del convertitore Iout corrisponde alla somma delle correnti che scorrono nelle varie resistenze secondo la relazione: ADC ad approssimazioni successive La conversione per approssimazioni successive richiede un certo tempo per essere eseguita, principalmente perché ad ogni passo vi è una conversione digitale-analogica da eseguire, con conseguenti g ritardi temporali. p In genere, g , inoltre,, il tempo p di conversione dipende p dal numero di bit del convertitore. Per poter sincronizzare l’esecuzione della conversione con i dispositivi a monte dell’ADC (multiplexer analogico, sample and hold) e con il microprocessore, l’ADC possiede anche un ingresso logico per un segnale di Start Conversion (SC, inizio della conversione) ed un’uscita logica per un segnale di uscita End Of Cconversion (EOC, fine della conversione). Data la presenza di circuiti logici di comando, il convertitore necessita in genere anche di un segnale di clock. ADC a conversione parallela Il convertitore parallelo, mediante opportuni comparatori a soglia, distingue 2N - 1 diversi livelli di tensione, ognuno dei quali corrisponde ad una configurazione binaria di uscita. La differenza tra due livelli di tensioni consecutivi, pari alla risoluzione del convertitore, corrisponde ad un LSB. ADC a conversione parallela I livelli di tensione sono realizzati utilizzando una tensione di riferimento Vs connessa ad una serie di resistori di opportuno valore. Il convertitore parallelo è molto più veloce del convertitore ad approssimazioni successive, in quanto la conversione avviene in un unico passaggio (in parallelo). Lo svantaggio principale di questi convertitori consiste nella complessità e nel costo del dispositivo. Infatti per rilevare ogni livello di tensione occorre un comparatore, per cui in un convertitore a N bit occorrono 2N - 1 comparatori, ed inoltre occorre generare 2N -1 1 tensioni di riferimento in modo stabile ed accurato. Dal punto di vista pratico questi dispositivi hanno una risoluzione bassa (8 bit al massimo).
