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Sistema di Acquisizione e Distribuzione Dati - Tesina di Maturità

Informatica

Descrizione: Tesina di Maturità di elettronica sul sistema di acquisizione e distribuzione dati. 
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mattia.orlandi.141 - Università non definita

ciao

25/01/13 19:32
sait - Università non definita

grazie bel lavoro...

27/05/12 15:38
marcellao89 - Università non definita

perfetto proprio qll che mi serviva

04/05/12 11:14

Sistema

d'acquisizione

dati

UTIL.L-P-FS/H A M U X

A D E M U X

CT

Quello riportato in figura è un Generico sistema d’acquisizione dati formato dai seguenti blocchi:

1 T = Trasduttore o sensore 2 C = Blocco di Condizionamento 3 AMUX = Multiplexer Analogico 4 S/H = Circuito Sample and Hold 5 A/D = Convertitore Analogico Digitale 6 D/A = Convertitore Digitale Analogico

D/AA/DS/H UTIL.L-P-FS/H

CT

Micro Process.

7 A-DEMUX = Demultiplexer Analogico 8 L-P-F = Filtro Passa-Basso 9 UTIL = Utilizzatore

Grazie ai seguenti blocchi è possibile creare un sistema di acquisizione dati come quello riportato in precedenza. Andrò ad analizzare ogni singola parte del circuito e riporterò le informazioni più importanti ed il funzionamento di ciascuno dei blocchi utilizzati.

Il circuito preso in considerazione può essere definito “Sistema misto analogico- digitale”. La realizzazione di sistemi elettronici di conversione ed elaborazione che partendo da segnali analogici li elaborano in forma digitale eventualmente trasformando i risultati finali in forma analogica, implica alcune considerazioni generali legate soprattutto alla presenza contemporanea di segnali analogici e digitali. Un aspetto molto importante da considerare in questi sistemi, è il rumore complessivo: il rumore, misurato in relazione al segnale utile come rapporto segnale-rumore, può essere considerato come la misura di un “limite invalicabile” per la precisione ottenibile nella misura di una grandezza analogica. Il rumore deriva da varie cause quali la temperatura, i fenomeni ambientali, ecc… Da questa piccola introduzione si vede come esistano dei problemi nei sistemi formati sia da elementi analogici che digitali.

I TRASDUTTORI

I trasduttori sono dei dispositivi in grado di trasformare le variazioni di una grandezza fisica non elettrica in corrispondenti variazioni di grandezza elettrica. Essi consentono quindi di misurare e controllare, per mezzo di apparecchiature elettroniche, le variazioni subite da grandezze fisiche di natura diversa quali, ad esempio, la velocità,la temperatura,la pressione.

Grandezza fisica Grandezza elettrica

Descriverò ora, solo le due più importanti categorie di trasduttori.

Classificazione in base alla grandezza fisica in ingresso

Primari : i trasduttori primari sono quei dispositivi che convertono direttamente la grandezza fisica in una elettrica

Secondari : i trasduttori secondari sono quei dispositivi dove la grandezza fisica viene trasformata in un’altra grandezza fisica rilevabile con untrasduttore primario

Classificazione sul tipo di grandezza elettrica in uscita

Attivi : sono quei trasduttori che generano direttamente un segnale di tensione o corrente dipendente dalla grandezza fisica in ingresso

TRASDUTTORE

Passivi : trasduttori che producono la variazione di un parametro elettrico come resistenza, capacità o induttanza.

Parametri caratteristici dei trasduttori

Caratteristica di trasferimento : è il legame tra la grandezza fisica in ingresso e quella elettrica in uscita, espresso tramite curve, relazioni matematiche o tabelle. Perché sia possibile risalire in maniera univoca al valore della grandezza fisica in ingresso, un trasduttore può essere utilizzato solo nei tratti della caratteristica in cui essa è monotonica, in cui ad ogni valore dell’uscita corrisponde un solo valore dell’ingresso.

Campo linearità S imax - Generica caratteristica di trasferimento di un trasduttore -

Nella transcaratteristica disegnata sopra, la grandezza in ingresso Si non deve superare il valore di Simax; in caso contrario dal valore rilevato in uscita (So1) non si può risalire a quello di ingresso che l’ha prodotto (Si1 o Si2).

Campo di lavoro : è il campo dei valori applicabili in ingresso e dei corrispondenti valori in uscita.

Linearità : per semplificare la realizzazione degli stadi a valle spesso si richiede che il trasduttore presenti una relazione lineare tra ingresso e uscita; ciò si ottiene limitando l’utilizzo a una zona della trascaratteristica approssimabile con una retta.

Isteresi : tiene conto della diversa risposta del trasduttore per valori crescenti e decrescenti della grandezza di ingresso.

I CIRCUITI DI CONDIZIONAMENTO

I circuiti di condizionamento hanno il compito di elaborare il segnale prodotto dal trasduttore per adattarlo alle caratteristiche dei circuiti che seguono nella catena di acquisizione. Se nel sistema l’uscita del trasduttore è digitale, il condizionamento viene effettuato nel seguente modo: squadratura del segnale, adattamento dei livelli logici e amplificazione in corrente. Se invece l’uscita del trasduttore è analogica le elaborazioni da compiere sono:

9.iconvertire la grandezza elettrica in uscita dal trasduttore in una tensione

9.iiadattare il campo dei valori del segnale a quello dei circuiti a valle

9.iii ridurre al minimo le alterazioni dei segnali dovuti ai disturbi o alle distorsioni

9.iv isolamento elettrico tra i blocchi 9.vfiltraggio del segnale:se il segnale deve

essere campionato e successivamente convertito, è necessario limitarne la banda mediante un filtro passa basso anti-aliasing

IL MULTIPLEXER ANALOGICO (AMUX)

Il Multiplexer analogico è un circuito che trasferisce verso l’uscita Y il valore analogico presente su uno dei 2 ingressi dati, individuato dalla combinazione di bit posta sugli n ingressi di selezione.

I3

S1 S0

I3,I2,I1,I0 sono gli ingressi dati; E è l’abilitazione mentre S1 e S0 sono gli ingressi di selezione. Come si può notare l’uscita è una sola (Y) . (Vedi anche parte di Inglese:definizione)

IL DEMULTIPLEXER ANALOGICO (ADEMUX)

Il Demultiplexer è un dispositivo in grado di estrarre da una sequenza continua di dati blocchi indipendenti da indirizzare ognuno verso la propria destinazione. Viene di solito utilizzato a valle di un collegamento in cui all'altro capo i dati sono stati disposti in forma di un unico flusso da un circuito multiplexer.

Y1

S1 S0

I CIRCUITI DI SAMPLE AND HOLD

Questi circuiti hanno la funzione specifica di campionare (Sample) il segnale di ingresso Vi in un certo istante e mantenere la tensione di uscita fissa su quel valore (Hold) per tutto il tempo intercorrente fino al successivo impulso di campionamento. Tutto ciò permette al convertitore analogico-digitale di operare la trasformazione dal mondo analogico a quello digitale mantenendo fisso il segnale da convertire.

S H S H S H

Parametri caratteristici del S/H

Tempo di acquisizione: è il tempo impiegato dall’uscita per raggiungere il valore di tensione presente all’ingresso, dopo l’inizio di fase di Sample. Tempo di apertura: tempo per cui la tensione di uscita continua a seguire le variazioni di ingresso dopo l’inizio della fase di hold. Tensione di Hold: massima differenza tra la tensione di uscita e quella di ingresso nella fase di hold. Errore di guadagno: è il rappporto tra le variazioni delle tensioni di uscita e di ingresso nella fase di sample.

Teorema di Shannon

I convertitori A/D necessitano di un tempo di conversione Tc per ricavare il valore binario corrispondente alla tensione di ingresso, per cui non è possibile trasformare in digitale i valori assunti in ogni istante dal segnale analogico, ma solo quelli in corrispondenza di una successione discreta di istanti, separati almeno di un intervallo pari a Tc. Ora analizzerò un quesito molto importante: è possibile che un insieme discreto di valori di un segnale contenga ancora tutte le informazioni del segnale stesso?Quindi come si può procedere a ricostruire la forma d’onda originale a partire dal segnale digitale? Prima di rispondere alle domande, fornisco alcune definizioni:

9.vi campione: valore assunto dal segnale analogico d’ingresso in un certo istante, destinato ad essere convertito in digitale;

9.vii tempo di campionamento Ts: intervallo di tempo compreso tra due campionamenti successivi del segnale analogico;

9.viii frequenza di campionamento fs: numero di campioni prelevati dal segnale analogico nell’unità di tempo; fs è 1/Ts

segnale campionato

Ts F 0E 0 tempo di campionamento

Intuitivamente è ovvio che un tempo di campionamento troppo lungo comporta la perdita di informazioni, mentre un Ts molto più breve del necessario potrebbe richiedere un ADC ed un S/H con velocità e quindi costi non giustificati; inoltre una maggiore frequenza di campionamento causa la produzione di una mole di dati superiore, con il relativo aumento dei costi per la memorizzazione, l’elaborazione e la trasmissione a distanza.

Ts Ts è molto più piccola

(camp. a bassa frequenza) (camp. ad alta frequenza)

La risposta al problema del campionamento è data dal teorema di Shannon: un segnale con banda limitata può essere ricostruito univocamente dai suoi campioni, purchè questi siano stati prelevati con una frequenza fs almeno doppia della frequenza massima fm presente nello spettro del segnale:

fs>2fm

La ricostruzione del segnale originale si effettua filtrando il segnale campionato mediante un filtro passa-basso con frequenza di taglio e pendenza opportune.

V(f)

f

Vs(f) Componenti da eliminare con il filtro

fm fs-fm fs+fm 2fs 3fs fs 2fs-fm 2fs+fm

Il primo segnale identifica lo spettro di un segnale analogico mentre il secondo è lo spettro del segnale analogico, campionato alla frequenza fs. Lo spettro del segnale campionato è formato da quello del segnale originale più infinite componenti di ampiezza decrescente, costituite dallo spettro originale e il suo simmetrico, centrate sulle frequenze multiple di fs. La componente spettrale centrata sulle frequenza fs occupa una banda compresa tra le frequenze fs-fm e fs+fm. Da questo è evidente che, se la condizione è soddisfatta (fs > 2fm),le varie componenti dello spettro non si sovrappongono ed in particolare risulta fm<fs- fm; di conseguenza è possibile isolare lo spettro del segnale originale mediante un filtro passa-basso con frequenza di taglio fm < ft < fs-fm, ricostruendo così l’andamento nel tempo del segnale originale.

Ora si può quindi evidenziare che il segnale analogico è campionato dal Sample and Hold con una frequenza fs>2fm ed ogni valore di tensione viene convertito in digitale dall’ADC per essere poi elaborato dal sistema a MicroProcessore. Per ricostruire il segnale originale, i dati emessi dal MiscroProcessore vengono convertiti in analogico dal DAC. Il filtro situato dopo il demultiplexer avrà il compito di ricostruire, ed è per questo che viene chiamato filtro di ricostruzione.

CONVERTITORE ANALOGICO - DIGITALE

Tra tutti i tipi di convertitori esistenti, descriverò il principio di funzionamento del Convertitore ad Approssimazioni Successive e le sue principali caratteristiche. I convertitori ad approssimazioni successive sono caratterizzati da elevata risoluzione e tempi di conversione bassi. Per questo sono ampiamente diffusi, in particolare quando i conveertitori devono essre interfacciati con i microprocessori.

Il circuito del convertitore presenta alcuni componenti: un comparatore, un registro ad approssimazioni successive indicato come SAR, un convertitore DAC ed un generatore di clock.

Funzionamento:

9.ix dopo l’applicazione del segnale SOC (start of conversion) il SAR pone in uscita la parola 1000, che provoca all’uscita del DAC una tensione Vdac=Vref/2;

9.xil comparatore verifica se la tensione di ingresso è maggiore o minore di Vdac:nel primo caso (come in figura) il SAR deve confermare l’1 sul bit più significativo, nel secondo tale bit deve essere portato a 0;

9.xi all’arrivo del clock successivo il SAR pone a 1 il bit immediatamente a destra dell’MSB=0, oppure, Vdac=3Vref/4, se MSB=1;

9.xii in base al confronto con Vi il comparatore comunica al SAR quale valore deve assumere il bit in esame;

9.xiii l’operazione, ripetuta per ognuno dei 4 bit in uscita, consente di trovare, dopo 4 colpi di clock, il valore binario che meglio approssima la tensione analogica di ingresso;

9.xiv una volta definito l’ LSB il valore all’uscita del SAR viene salvato nel lach e, mediante il segnale EOC (End of Conversion), l’ADC comunica all’esterno che il numero in uscita è stato aggiornato.

In pratica ad ogni colpo di clock si dimezza il campo di ricerca fino ad individuare, dopo n clock, l’intervallo di quantizzazione in cui cade la tensione di ingresso e la relativa codifica binaria. Il tempo di conversione di un

convertitore di questo tipo è: Tc=n*Tck dove Tck è il periodo del segnale di clock.

Circuito del Convertitore ad approssimazioni successive

CONVERTITORE DIGITALE – ANALOGICO

Un convertitore D/A (DAC : Digital to Analog Converter) trasforma il dato digitale d’ingresso nel corrispondente valore della grandezza analogica d’uscita (generalmente tensione o corrente).

DAC

In figura è rappresentato il simbolo del DAC in cui sono evidenziati l’ingresso digitale a n bit, l’uscita analogica Vo e l’ingresso per la tensione di riferimento Vref, che individua il valore di fondo scala (Vfs) del convertitore.

La caratteristica ideale del convertitore è costituita da un insieme di punti allineati su una retta passante per l’origine, come esemplificato nella figura sottostante per un DAC a 3 bit.

000 001 010 011 100 101 110 111 D2,D1,D0 0 1 2 3 4 5 6 7 N

Parametri e caratteristiche dei convertitori DAC

Risoluzione : minima variazione Q della tensione d’uscita corrispondente alla variazione di 1 LSB del codice di ingresso.

Nei parametri di questi convertitori troviamo 3 diversi tipi di errore quali di Offset, di guadagno e di linerità. Come in quasi tutti i componenti elettronici, anche questi hanno delle differenze dallo studio “sulla carta” allo studio pratico e sperimentale.

Tempo di assestamento : individua la velocità di conversione ed è definito come il tempo necessario alla tensione d’uscita per assestarsi definitivamente

all’interno di una fascia di valori di ampiezza +-1/2 LSB, dopo la variazione della parola binaria in ingresso.

Vref

Tempo di assestamento

Glitch : impulsi di breve durata che si sovrappongono alla tensione d’uscita nell’istante della commutazione tra due differenti codici d’ingresso. I glitch di ampiezza maggiore avvengoo generalmente quando un bit di peso elevato (es l’MSB) commuta da 0 a 1, in corrispondenza del passaggio da 1 a 0 dei bit di peso inferiore. Questo è provocato dal non perfetto sincronismo tra i circuiti interni.

Il convertitore ADC 0808

L’ ADC 0808 è di fatto un sistema di acquisizione dati analogici ad 8 canali completo su singolo chip ad alimentazione singola +5V, poco costoso, robusto e facile da usare, anche se di prestazioni non eccelse per quanto riguarda la velocità.

La tecnica usata per la conversione è quella ad approssimazioni successive (S.A.R.).

Nell’ADC0808 è racchiuso un intero sistema di acquisizione dati infatti nell’unico chip è contenuto un multiplexer analogico ad 8 canaLI.

La gestione della conversione viene effettuata tramite i segnali START (inizio conversione), EOC (fine conversione) e OUTPUT ENABLE (abilita le uscite).

Una particolarità di questo dispositivo è la presenza di due pin di riferimento Vref(-) e Vref(+); le tensioni su di essi fissano rispettivamente il limite inferiore e quello superiore del range di input.

Il clock può andare da 10 a 1280 KHz; al valore tipico di 640 KHz il tempo di

conversione è intorno ai 100 microsec.

Circuito dell’ADC 0808

FILTRI ATTIVI

I filtri attivi sono costituiti da OP-AMP e da componenti passivi RC che fanno parte del circuito di controllo degli OP-AMP. Vengono impiegati fino a frequenze dell’ordine dei MHz. Presentano alta impedenza di ingresso e bassa impedenza d’uscita e per la loro realizzazione non sono necessarie induttanze. I filtri sono fondamentalmente di quattro tipi: passa-basso, passa-alto, passa- banda, elimina banda. Per un filtro passa-basso il guadagno assume un valore costante da f = 0 fino ad una frequenza f c, detta frequenza di taglio; quest'intervallo prende il nome di banda passante. Per valori di frequenza superiori ad fc, risulta invece un guadano nullo; si è allora in banda attenuata. Per un filtro passa-alto la banda passante si estende da un limite inferiore fc fino ad infinito. Un filtro passa banda trasmette soltanto una gamma di frequenze delimitata sia superiormente sia inferiormente, mentre un filtro elimina-banda si comporta in maniera complementare. Idealmente l'armonica con frequenza immediatamente al di fuori della banda passante del filtro deve presentare guadagno nullo, ma ciò nella pratica non è realizzabile. Nella realtà le curve scendono molto gradualmente, con una pendenza di -20db/dec per un filtro del primo ordine.

Il filtro che è presente nel sistema di acquisizione dati è di tipo passa-basso con funzione di ricostruzione del segnale originale e viene collocato dopo il convertitore DAC. Se l’utilizzatore del sistema è un motore o un riscaldatore, l’effetto filtrante è già prodotto dall’inerzia meccanica o termica del carico. Quindi è evidente che la qualità di un segnale che ha subito una conversione A/D è principalmente legata a due fattori:

9.xv alla risoluzione del convertitore A/D, che introduce un errore di quantizzazione tanto più piccolo quanto è maggiore il numero degli n bit dell’ADC;questo errore può essere pensato come un disturbo che si sovrappone al segnale utile e viene detto rumore di quantizzazione

9.xvi alla frequenza di campionamento fs:se per esigenze varie si deve impiegare una frequenza fs di valore inferiore al doppio della banda del segnale, è indispensabile filtrare il segnale a ft<fs/2 per evitare l’aliasing(nascita di frequenze spurie nello spettro)

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