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STRUMENTI TERMINALI DIGITALI. ARGOMENTI DELLA LEZIONE: i convertitori A/D (ad integrazione e parallelo) e D/A (a resistenze pesate)i convertitori A/D.

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1 STRUMENTI TERMINALI DIGITALI

2 ARGOMENTI DELLA LEZIONE: i convertitori A/D (ad integrazione e parallelo) e D/A (a resistenze pesate)i convertitori A/D (ad integrazione e parallelo) e D/A (a resistenze pesate) sistemi di acquisizione digitalesistemi di acquisizione digitale

3 CONVERTITORI A/D

4 PRESTAZIONI PRINCIPALI: f C = 1/ t C frequenza di campionamento n° bit = risoluzione linearità e accuratezza A / D G(t) (G i, t i ) i= N t i =i t C t i =i t C

5 CONVERTITORE A/D ad INTEGRAZIONE (a doppia rampa) E la tecnologia più semplice e diffusa E lento display, mulltimetri, sistemi acquisizione dati statici

6 Schema e componenti - V rif R C - + V in Clock Logica di controllo Contatore Comparatore Integratore

7 Fasi della conversione 1) Input V in integrato per tempo fisso T 1 T 1 fisso V in alta V in bassa - V rif RC- + V in Contatore Clock Logica V OUT (T 1 )= 1 RC V in dt= V in RC 0T1 T1T1T1T1

8 2) Integratore connesso a -V rif V OUT (t) =V(T 1 ) -V rif t / RC Si misura T 2 per V OUT =0 T 1 fisso V in alta V in bassa T 2 variabile Comparatore: arresta clock quando V OUT =0 - V rif RC- + V in Contatore Clock Logica

9 3) Si trovaV in =V rif T 2 / T 1 T 1 fisso V in alta V in bassa T 2 variabile

10 Vantaggi: Insensibilità ai disturbi grazie allintegratore Precisione: misura di tempi è precisa - V rif RC- + V in Contatore

11 Problemi: V rif deve essere costante Intrinsecamente lento (misure statiche o S/H) - V rif RC- + V in Contatore

12 CONVERTITORE A/D PARALLELO (FLASH) E usato per la sua elevata frequenza di campionamento sistemi acquisizione dati dinamici e multicanale

13 Funzionamento di A/D flash a N=4 bit 1) V rif è diviso in 2 N parti separate da 1 LSB tramite le R che def. (2 N -1) soglie (V rif ) i V rif Ingresso V in } 3R/2 R R R R/2 N=4 bit Uscita

14 con le soglie (V rif ) i se V in  (V rif ) i (V OUT ) i =ON se V in  (V rif ) i (V OUT ) i =ON se V in < (V rif ) i (V OUT ) i =OFF se V in < (V rif ) i (V OUT ) i =OFF Luscita (V OUT ) i non è un numero binario 2) (2 N -1) comparatoriconfrontano V in V rif Ingresso V in 3R/2 R R R R/2

15 3) Decodificatore converte le uscite (V OUT ) i dei comparatori nella parola binaria V rif Ingresso V in } 3R/2 R R R R/2 N=4 bit Uscita

16 Limite: alto numero di comparatori e resistenze precise Se N=4 bit (2 N -1)=15 comparatori Se N=8 bit 255 comparatori ! Flash a 4 bit

17 A/D #2 A/D #1 D/A 4 MSB V in Convertitoriflash Per fare un flash ad 8 bit si usano spesso 2 convertitori a 4 bit 1) Convertitore A/D #1 I° 4 bit (MSB)

18 2) Si genera la differenza tra V in e V(MSB) tramite convertitore D/A e comparatore A/D #2 A/D #1 D/A 4 MSB 4 LSB V in

19 3) La differenza è convertita da A/D #2 a 4 bit A/D #2 A/D #1 D/A V in 4 MSB 4 LSB

20 INCERTEZZA DEI CONVERTITORI A/D a) Variazioni termiche e di tensione di alimentazione variazione di sensibilità errori sistematici CALIBRAZIONE 0FS

21 b) Per imperfezioni costruttive non linearità: un bit differisce dallaltro LSB ideale Errore sul bit 0FS

22 CONVERTITORI D/A

23 Convertitore D/A = dispositivo che riceve in ingresso un codice binario ad N bit e lo trasforma in uscita analogica elettrica (V od I) Ampiezza delluscita proporzionale al numero binario in ingresso N bit D / A Uscitaanalogica

24 Funzione tipica:- generare segnali analogici con sistemi digitali Applicazione:- qualsiasi sistema di controllo digitale

25 Convertitore D/A R 1 Ladder Struttura generale di un convertitore D/A Il Ladder cambia il valore della propria resistenza R 1 in funz. del codice binario Lamplificatore retroazionato negativamente con R fissa è così collegato ad R 1 variabile } V rif Ingresso N bit R - + VUVUVUVU

26 Allora V U = -V rif R / R 1 Se R 1 codice binario in ingresso V U codice binario in ingresso Il convertitore D/A fa proprio questo R- + R1R1R1R1 V rif VUVUVUVU Ladder

27 Vrif = cost e ingresso (b N,....., b 1 ) con b 1 =LSB Il convertitore D/A è progettato per dare V U =-V rif b N b N b 1 2 N } V rif Convertitore D/A R 1 Ladder Ingresso N bit R - + VUVUVUVU

28 Es.: se 4 bit e ingresso = 1111 V U = -V rif (1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16)= -V rif 15/16 Es.: se 4 bit e ingresso = 0000V U = 0 Pertanto la relazione fornisce: 2 N = 16 livelli di uscita tra 0 e -(15/16)V rif V U =-V rif b N b N b 1 2 N

29 Ladder a resistenze pesate = resistenze diverse in parallelo connesse a deviatori pilotati dai bit b 1...b N Se bit b i =1 resistenza è inserita in parallelo allingresso invertente dellamplificatore operazionale R 1 Se bit b i =1 resistenza è inserita in parallelo allingresso invertente dellamplificatore operazionale R 1 R - + VUVUVUVU V rif 1100

30 Al b 1 è connessa resistenza = 2 N R Al b 2 è connessa resistenza = 2 N-1 R Al b N è connessa resistenza = 2 R R - + VUVUVUVU V rif R4R8R16R

31 Essendo in parallelo vale: solo gli elem. solo gli elem. con b i = 1 con b i = 1 1 R 1 = b N 2 1 R + b N R b 1 2 N R R - + VUVUVUVU V rif R4R8R16R

32 Poichè V U = -V rif R / R 1 sostituendo R 1 si ha luscita dal convertitore V U R- + R1R1R1R1 V rif VUVUVUVU V U =-V rif b N b N b 1 2 N E la relazione desiderata architettura OK

33 SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALI

34 PERCHE UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALE ? compatibilità con sistemi di calcolo immunità ai disturbi (in fase di registrazione, conservazione, riproduzione e trasmissione del segnale) flessibilità (configurazione del sistema programmabile)

35 SCELTA DI UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI tipo e numero di segnali tipo di applicazione (laboratorio, impianto industriale, veicolo in esercizio, ecc.) esigenze di interfacciamento con altri sistemi di calcolo, controllo ecc.

36 PARAMETRI CARATTERISTICI DI UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALE risoluzione (numero di bit degli A/D) numero di canali frequenza di campionamento per ogni canale profondità di memoria per ogni canale bus di collegamento con lelaboratore

37 ALCUNI TIPICI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALI Sistema digitale autonomo (data logger, transient recorder ecc.) Scheda acquisizione dati per PC (spesso A/D e D/A) Oscilloscopio digitale

38 PRINCIPALI COMPONENTI DI UN SISTEMA ACQUISIZIONE DATI DIGITALE C = elementi di condizionamento del segnale (ampl., filtro anti aliasing e altri eventuali elementi, linearizzatori ecc.) S/H = circuito sample & hold A/D = convertitore A/D G(t)A/D T C=A+F S/H

39 bus di comunicazione con calcolatore memoria se sistema multicanale multiplexer analogico (AMUX) o digitale (DMUX) G(t)A/D T C=A+F S/H

40 CONFIGURAZIONE DEI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DIGITALI

41 a) SCHEMA per MISURE STATICHE: N canali campionati in sequenza A/D T1T1T1T1 TNTNTNTN C1C1C1C1 CNCNCNCN AMUXAMUXAMUXAMUX LOGICA DI CONTROLLO } n bits

42 Preciso (usa convertitore ad integrazione) LAMUX permette uso di un solo A/D Dati non contemporanei (non cè S/H) Solo misure statiche (non cè S/H) Lento (usa convertitore ad integrazione ed AMUX)

43 b) SCHEMA per MISURE DINAMICHE: N canali campionati in sequenza; il S/H permette la conversione A/D con ingresso tempovariante T1T1T1T1 TNTNTNTN C1C1C1C1 CNCNCNCN AMUXAMUXAMUXAMUX LOGICA DI CONTROLLO A/D } n bits S/H

44 c) SCHEMA per MISURE DINAMICHE SIMULTANEE: N canali campionati simultaneamente T1T1T1T1 TNTNTNTN C1C1C1C1 CNCNCNCN A/D AMUXAMUXAMUXAMUX LOGICA DI CONTROLLO } n bits S/H S/H

45 d) SCHEMA per MISURE DINAMICHE ad ALTA FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO : N canali campionati simultaneamente da N A/D Multiplexaggio digitale } computer bus T1T1T1T1 TNTNTNTN C1C1C1C1 CNCNCNCN A/DS/H S/HA/D MUXMUXMUXMUX DIGITALEDIGITALEDIGITALEDIGITALE

46 COLLEGAMENTO TRA SISTEMA DI ACQUISIZIONE E CALCOLATORE Il sistema di acquisizione dati A/D viene gestito come una unità periferica dallelaboratore Il sistema di acquisizione è una scheda allinteno del PC

47 COLLEGAMENTO TRA SISTEMA DI ACQUISIZIONE E CALCOLATORE Il sistema di acquisizione dati A/D è gestito come unità periferica dal calcolatore Concetto di comunicazione seriale: Parola = N bit Esistono standard: es. RS-232, RS A B

48 Concetto di comunicazione parallela: es. standard IEEE-488 AB Parola N bit

49 Concetto di comunicazione parallela: es. standard IEEE-488 AB Parola N bit

50 REGISTRATORI A NASTRO MAGNETICO

51 Registrano segnali analogici su nastro magnetico in modo permanente Consentono la riproduzione dei segnali registrati SCHEMA DI FUNZIONAMENTO Testina di registrazione Testina di riproduzione Nastro

52 REGISTRAZIONE - nella testina di registrazione corrente I(t) E(t) da registrare - I(t) genera flusso magnetico (t) E(t) U S N

53 - nastro di plastica coperto di ossidi si magnetizza permanentemente (t) - il nastro trasla con velocità U quindi registra il segnale in maniera sequenziale E(t) U S N

54 RIPRODUZIONE - il nastro magnetizzato trasla con velocità U - nella testina di riproduzione si genera f.e.m. E U (t) d (t) / dt - se (t) = cost uscita E(t) = 0 E U (t) U

55 PERTANTO: - uscita E U (t) dE(t) / dt necessità di amplificazione non lineare - difficoltà nella registrazione e riproduzione diretta di segnali costanti e a bassa frequenza

56 Registrano piu canali sullo stesso nastro Consentono la registrazione e la riproduzione a velocita diverse Tecnologie analoghe sono usate per la registrazione digitale su dischi magnetici

57 SOLUZIONI TECNOLOGICHE: A) REGISTRAZIONE ANALOGICA AM Amplitude Modulation segnale E(t) modula ampiezza di una onda portante Segnali costanti generano (t) variabile, quindi sono riproducibili segnale E(t) onda portante A sin( P t) E(t) A sin( P t) MODULATOREA.M. segnale modulato AM

58 in riproduzione il segnale AM viene demodulato per restituire E(t) FILTRO PASSA BASSO RADDRIZ. Demodulazione possibile se P della portante è molto maggiore della massima frequenza del segnale portante ad alta freq. P  10 Demodulazione possibile se P della portante è molto maggiore della massima frequenza del segnale portante ad alta freq. P  10

59 PROBLEMA: in registrazione A.M. la ampiezza del segnale registrato contiene linformazione Ogni imperfezione del nastro causa errori in riproduzione

60 B) REGISTRAZIONE ANALOGICA F.M. (Frequency Modulation) il segnale da registrare E(t) modula in frequenza unonda portante P ­500kHz MODULATORE F.M. segnale E(t) onda portante segnale modulato FM

61 BANDA PASSANTE TIPICA kHz La informazione è contenuta nella frequenza del segnale di magnetizzazione e non nella sua intensità La registrazione FM è molto meno sensibile ai difetti sul nastro

62 C) REGISTRAZIONE MAGNETICA DIGITALE segnale convertito da A/D in stringa binaria (sequenze di 0 ed 1) (Pulse Code Modulation PCM) sul nastro si registra sequenza di zone a magnetizzazione alta e bassa (prossime alla saturazione)

63 Vantaggi: ottima insensibilità ai difetti sul nastro Problemi: lunghe stringhe di 0 o di 1 generano segnali continui, non riproducibili necessità di codifiche particolari (con ritorno a I(t) = 0 tra ogni bit ecc.)


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