STRUMENTI TERMINALI DIGITALI

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

CONVERTITORI A/D

A / D G(t) (Gi, ti) i=1 ...... N ti=i tC PRESTAZIONI PRINCIPALI: fC = 1/ tC frequenza di campionamento n° bit = risoluzione linearità e accuratezza

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

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

 V (T ) = RC dt Fasi della conversione 1) Input Vin integrato per tempo fisso T1 V OUT (T 1 ) = RC in dt T  T1 - V rif R C - + Vin Contatore Clock Logica Vin alta Vin bassa T1 fisso

2) Integratore connesso a -Vrif VOUT(t) =V(T1) -Vrif t / RC Si misura T2 per VOUT=0 - V rif R C - + Vin Contatore Clock Logica Vin alta Vin bassa Comparatore: arresta clock quando VOUT=0 T1 fisso T2 variabile

3) Si trova Vin=Vrif T2 / T1 T1 fisso Vin alta Vin bassa T2 variabile

Insensibilità ai disturbi grazie all’integratore - V rif R C - + Vin Contatore Vantaggi: Insensibilità ai disturbi grazie all’integratore Precisione: misura di tempi è precisa

Vrif deve essere costante Intrinsecamente lento - + Vin Contatore Problemi: Vrif deve essere costante Intrinsecamente lento (misure statiche o S/H)

CONVERTITORE A/D PARALLELO (“FLASH”) E’ usato per la sua elevata frequenza di campionamento sistemi acquisizione dati dinamici e multicanale

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

2) (2N-1) comparatori confrontano Vin con le soglie (Vrif)i se Vin  (Vrif)i (VOUT)i =ON se Vin < (Vrif)i (VOUT)i=OFF L’uscita (VOUT)i non è un numero binario Ingresso Vin Vrif 3R/2 R R R R/2

3) Decodificatore converte le uscite (VOUT)i dei comparatori nella parola binaria Vrif Ingresso Vin } 3R/2 R R/2 N=4 bit Uscita

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

Per fare un flash ad 8 bit si usano spesso 2 convertitori a 4 bit 1) Convertitore A/D #1 I° 4 bit (MSB) Convertitori “flash” A/D #1 Vin 4 MSB D/A A/D #2

2) Si genera la differenza tra Vin e V(MSB) tramite convertitore D/A e comparatore 4 LSB Vin

3) La differenza è convertita da A/D #2 a 4 bit 4 MSB Vin D/A 4 LSB A/D #2

INCERTEZZA DEI CONVERTITORI A/D a) Variazioni termiche e di tensione di alimentazione  variazione di sensibilità errori sistematici CALIBRAZIONE 0 FS 1111 1000 0000

b) Per imperfezioni costruttive  non linearità: un bit differisce dall’altro 0110 0101 0100 0011 0010 1 LSB ideale Errore sul bit 1111 1000 0000 0 FS

CONVERTITORI D/A

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 dell’uscita proporzionale al numero binario in ingresso Uscita analogica N bit D / A

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

Convertitore D/A R1 “Ladder” Struttura generale di un convertitore D/A Ingresso N bit } R Convertitore D/A R1 “Ladder” Vrif - VU + Il Ladder cambia il valore della propria resistenza R1 in funz. del codice binario L’amplificatore retroazionato negativamente con R fissa è così collegato ad R1 variabile

Il convertitore D/A fa proprio questo Allora VU = -Vrif R / R1 Se R1  codice binario  in ingresso VU codice binario  in ingresso Il convertitore D/A fa proprio questo R - + R1 Vrif VU Ladder

Convertitore D/A R1 “Ladder” Ingresso N bit } R Convertitore D/A R1 “Ladder” Vrif - + VU Vrif = cost e ingresso (bN, ....., b1) con b1=LSB Il convertitore D/A è progettato per dare  b b b  V = -V N + N - 1  + .... + 1  U rif  2 1 2 2 2 N 

 b b b  V = -V + + .... +    2 2 2  Es.: se 4 bit e ingresso = 1111 VU = -Vrif(1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16)= -Vrif15/16 Es.: se 4 bit e ingresso = 0000 VU = 0 Pertanto la relazione fornisce: 2N = 16 livelli di uscita tra 0 e -(15/16)Vrif  b b b  V = -V N + N - 1 + .... + 1   U rif  1 2 N 2 2 2 

Ladder a resistenze pesate = resistenze diverse in parallelo connesse a deviatori pilotati dai bit b1...bN R - 1 1 + VU Vrif Se bit bi =1  resistenza è inserita in parallelo all’ingresso invertente dell’amplificatore operazionale R1 

Al b1 è connessa resistenza = 2N R Al bN è connessa resistenza = 2 R R - + VU Vrif 1 2R 4R 8R 16R

Essendo in parallelo vale: solo gli elem. con bi = 1  b b b  = N + N - 1 + .... + 1   R  2 1 R 2 2 R 2 N R  1 R - + VU Vrif 1 2R 4R 8R 16R

 b b b  V = -V +  + .... +   2 2 2  Poichè R - + R1 Vrif VU Poichè VU = -Vrif R / R1 sostituendo R1 si ha l’uscita dal convertitore VU  b b b  V = -V N + N - 1  + .... + 1  U rif  1 2 N 2 2 2  E’ la relazione desiderataarchitettura OK

SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALI

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)

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.

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 l’elaboratore

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

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

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

CONFIGURAZIONE DEI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DIGITALI

a) SCHEMA per MISURE STATICHE: N canali campionati in sequenza A/D T1 TN C1 CN AMUX LOGICA DI CONTROLLO } n bits

Preciso (usa convertitore ad integrazione) L’AMUX permette uso di un solo A/D Dati non contemporanei (non c’è S/H) Solo misure statiche (non c’è S/H) Lento (usa convertitore ad integrazione ed AMUX)

b) SCHEMA per MISURE DINAMICHE: N canali campionati in sequenza; il S/H permette la conversione A/D con ingresso tempovariante T1 TN C1 CN AMUX LOGICA DI CONTROLLO A/D } n bits S/H

c) SCHEMA per MISURE DINAMICHE SIMULTANEE: N canali campionati simultaneamente T1 TN C1 CN A/D AMUX LOGICA DI CONTROLLO } n bits S/H

N canali campionati simultaneamente da N A/D Multiplexaggio digitale d) SCHEMA per MISURE DINAMICHE ad ALTA FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO: N canali campionati simultaneamente da N A/D Multiplexaggio digitale } computer bus T1 TN C1 CN A/D S/H MUX DIGITALE

COLLEGAMENTO TRA SISTEMA DI ACQUISIZIONE E CALCOLATORE Il sistema di acquisizione dati A/D viene gestito come una unità periferica dall’elaboratore Il sistema di acquisizione è una scheda all’inteno del PC

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-422 1 10 1 1 0 1 A B

A B 1 Concetto di comunicazione parallela: es. standard IEEE-488 Parola N bit A B 1

A B 1 Concetto di comunicazione parallela: es. standard IEEE-488 Parola N bit A B 1

REGISTRATORI A NASTRO MAGNETICO

Testina di registrazione 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

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

- 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

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

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

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

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

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

PROBLEMA: in registrazione A. M PROBLEMA: in registrazione A.M. la ampiezza del segnale registrato contiene l’informazione  Ogni imperfezione del nastro causa errori in riproduzione

B) REGISTRAZIONE ANALOGICA F.M. (Frequency Modulation) il segnale da registrare E(t) modula in frequenza un’onda portante P­500kHz onda portante MODULATORE F.M. segnale E(t) segnale modulato FM

BANDA PASSANTE TIPICA 0 - 80 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

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) 1 1 1 1 1 1

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.)