SISTEMI DI ACQUISIZIONE E DISTRIBUZIONE...

SISTEMI DI ACQUISIZIONE E DISTRIBUZIONE DATI

SISTEMI DI ACQUISIZIONE E DISTRIBUZIONE DATI CLASSE QUINTA A inf

Quali grandezze fisiche si possono rilevare?

• Temperatura • Umidità • Pressione • Illuminazione • Rotazione angolare • Spostamento • Campo magnetico • Gas • Suono • Etc…

E’ COMPOSTO DA

• Un SOTTOSISTEMA DI MISURA a contatto con il mondo fisico, in grado di rilevare grandezze fisiche come temperatura, velocità, ecc;

• Un SOTTOSISTEMA DI CONTROLLO, con un’unità centrale che fornisce i segnali di controllo e temporizzazione per i sottosistemi di acquisizione e di distribuzione. L’unità centrale esegue operazioni di elaborazione e memorizzazione.

• Un SOTTOSISTEMA DI USCITA , che provvede a generare segnali di uscita che devono comandare motori, relè ecc..

SOTTOSISTEMA DI MISURA

E’ COMPOSTO DAI SEGUENTI BLOCCHI:

• CIRCUITO DI RILEVAZIONE

• CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO

• CONVERTITORE ANALOGICO/DIGITALE (o ADC)

RILEVATORE CIRCUITO DI

CONDIZIONAMENTO CONVERTITORE

ADC

IL CIRCUITO DI RILEVAZIONE

Trasforma la grandezza fisica da misurare in una grandezza elettrica (tensione, corrente o

frequenza) ad essa proporzionale. Questo compito è svolto da dispositivi noti come

TRASDUTTORI.

I TRASDUTTORI Sono composti da due parti:

Sensore: E’ un dispositivo che rileva le variazioni di una grandezza fisica, e modifica, proporzionalmente ad essa, una delle sue caratteristiche elettriche (resistenza, capacità, induttanza).

Convertitore: E’ un circuito elettronico che converte le variazioni di resistenza (o capacità o di induttanza) prodotte dal sensore, in una variazione di tensione (o corrente, o frequenza) proporzionale ad essa.

Tipi di trasduttori:

Analogico: quando il suo segnale di uscita è

una grandezza elettrica (tensione, corrente o frequenza) che varia in modo continuo.

Digitale: quando il suo segnale di uscita è

composto da un segnale digitale, cioè un segnale che può assumere solo due livelli di tensione identificati come 0 e 1. Questi trasduttori si possono interfacciare direttamente con un ADC.

I TRASDUTTORI possono essere:

Attivi: Quando forniscono in uscita un segnale direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione senza nessun consumo di energia elettrica, né richiedono alimentazione E’ il caso delle celle fotovoltaiche e delle termocoppie.

Passivi: Sono quei trasduttori ai quali bisogna fornire energia elettrica perché la grandezza fisica d’uscita possa essere trasformata in una grandezza elettrica (tensione, corrente o frequenza). Ad esempio il Potenziometro che fornisce in uscita valori di tensione diversi, a seconda della posizione del cursore.

Caratteristiche fondamentali per un trasduttore

• ELEVATA SENSIBILITA’

• USCITA LINEARE

• STABILITA’ DI FUNZIONAMENTO NEL TEMPO

Parametri caratteristici dei sensori:

a) Caratteristiche di trasferimento:

E' il legame che intercorre tra la variabile da misurare (ingresso) e il segnale elettrico di uscita del trasduttore.

I trasduttori la cui caratteristica è una retta sono detti lineari.

Caratteristica dei Trasduttori: la Linearita’.

tg=K

U

U=KI

I

U: La grandezza di uscita del sensore I: La grandezza da misurare K: Coefficiente angolare

U=KI

offset I=grandezza d' ingresso

U=KI+offset

U=Grandezza di uscita

Si definisce offset il valore non nullo della variabile di uscita corrispondente al valore nullo della variabile d' ingresso.

Quando la retta non passa per l'origine la variabile d'uscita è diversa da zero in corrispondenza del valore nullo della variabile di ingresso. L'equazione è:

U=KI+offset

b) Linearità: Il funzionamento ottimale di un trasduttore è quello

definito da una caratteristica lineare.

La linearita è il parametro che evidenzia la deviazione tra la retta (caratteristica teorica) e la curva reale.

La non linearità è il valore massimo della deviazione rispetto alla curva teorica in valore assoluto riferito al valore massimo del segnale di uscita.

Un sensore è buono quando la sua non linearità non è superiore allo 0.1%.

Caratteristica Ideale

Deviazione

U=Grandezza di uscita Caratteristica reale

I=Grandezza d' ingresso

Caratteristica ideale e reale

c) Range di funzionamento: E' l'intervallo dei valori che può assumere la grandezza

che deve essere trasdotta.

Saturazione

Range di

Funzionamento

Zona lineare

Max Min

d) Isteresi: E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una

imprecisione di misura.

e) Sensibilità: E' il rapporto tra la variazione della grandezza di uscita e

la variazione della grandezza d' ingresso che la provoca.

U

S =

I

Più il coefficiente angolare della retta è elevato più il trasduttore è sensibile e minore sarà il range di funzionamento.

Maggiore pendenzaTrasduttore più sensibile.

Valore massimo di uscita

U1

U2

l

U

f) Tempo di risposta: E' il tempo che il trasduttore impiega per raggiungere

in uscita il valore di regime corrispondente al valore d' ingresso.

g) Risoluzione: E' il rapporto percentuale tra la minima variazione della

grandezza di uscita in grado di essere rilevata e il valore massimo del fondo scala.

h) Ripetibilità: E' la capacità di un sensore di fornire sempre gli stessi

valori di uscita in corrispondenza dell' ingresso.

SOTTOSISTEMA DI CONTROLLO GENERA I SEGNALI DI CONTROLLO E TEMPORIZZAZIONE PER I SOTTOSISTEMI DI ACQUISIZIONE E DI DISTRIBUZIONE E’ composto da: • Un sistema programmabile per l’elaborazione dei dati (es. un PC) • Circuiti di d’interfaccia hardware che consentono il trasferimento

dei segnali dal sottosistema di misura all’unità di elaborazione e da questa al sottosistema di uscita.

• Dispositivi RAM, ROM, o EEPROM per la memorizzazione dei dati e dei programmi di acquisizione.

• Una tastiera ed un monitor (o display).

IL SOTTOSISTEMA DI CONTROLLO PUO’ ESSERE REALIZZATO MEDIANTE: • UN PC • UN MICROCONTROLLORE • UN PLC

SOTTOSISTEMA DI USCITA

GENERA I SEGNALI DI COMANDO PER GLI ATTUATORI, I QUALI POSSONO ESSERE DI TIPO

ANALOGICO O DIGITALE.

computer CONVERTITORE

D/A CIRCUITO DI

CONDIZIONAMENTO ATTUATORE

SISTEMA DI ACQUISIZIONE AD UN SOLO CANALE

E’ costituito da:

• CIRCUITO DI RILEVAMENTO

• CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO

• CIRCUITO SAMPLE & HOLD

• CONVERTITORE ADC

• LOGICA DI CONTROLLO

CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO

Svolge le seguenti funzioni:

• Conversione resistenza tensione;

• Conversione corrente tensione;

• Amplificazione e traslazione di livello

• Isolamento

• Filtraggio

• Linearizzazione.

Il Sample & Hold è un circuito utilizzato prima del convertitore A/D per «mantenere» (HOLD) costante il segnale analogico all’ingresso di quest’ultimo.

Infatti un convertitore A/D ha bisogno che il segnale analogico presente al suo ingresso si mantenga costante per tutto il tempo di durata della conversione.

Se così non fosse, l’A/D non riuscirebbe a convertire correttamente a causa delle variazioni veloci del segnale analogico al suo ingresso.

IL SAMPLE & HOLD

E’ però vero che il blocco S/H è necessario solamente se la variazione del dato è molto veloce.

In tal caso il S&H è in grado di memorizzare il valore assunto dal segnale in un determinato istante (fase di sample) e mantenerlo costante all’ingresso del convertitore, per tutto il tempo impiegato ad effettuare la conversione.

Quando la variazione del segnale è lenta, si può fare a meno del blocco S/H e il segnale può essere applicato direttamente

all’ingresso del convertitore A/D.

IL SAMPLE & HOLD

Esempio di circuito S&H

Funzionamento del S&H

Quando il segnale S/H viene portato al livello alto, l’interruttore elettronico si chiude ed il circuito è in condizione di campionamento (sample), cioè il condensatore viene caricato e raggiunge la tensione di ingresso Vi. Lo stadio inseguitore d’ingresso permette di offrire un‘altra impedenza all’ingresso, in modo da non caricare ed alterare la tensione Vi, mentre contemporaneamente fornisce la corrente necessaria a caricare rapidamente il condensatore. Quando poi il segnale S/H si porta basso, il circuito si pone nella condizione di mantenimento (hold), in altre parole l’interruttore si apre e mantiene la tensione raggiunta in precedenza. Lo stadio inseguitore d’uscita permette di trasferire all’uscita la tensione ai capi del condensatore, senza scaricarlo.

IL CONVERTITORE A/D

Il convertitore A/D ha il compito di trasformare il segnale analogico presente al suo ingresso in un segnale digitale ad n bit.

LOGICA DI ACQUISIZIONE II processo di conversione inizia quando tramite software (o hardware) il convertitore riceve un segnale di inizio conversione SC (Start Conversion) dalla logica di controllo del sistema. Quando la conversione e terminata il convertitore genera il segnale EOC( End Of Conversion) per indicare al sistema che il dato e disponibile. II segnale EOC e spesso utilizzato per generare una richiesta d'interruzione e per avviare la lettura dei dati. AI termine della conversione sulle uscite digitali del convertitore viene posto il valore numerico corrispondente a quello analogico presente al suo ingresso. Per poter acquisire il dato digitale, la logica di controllo deve attivare il segnale OE (Output Enable) che permette la lettura del dato da parte del sistema.

Al termine del processo il dato viene letto dalla CPU attraverso il BUS DATI.

START CONVERSION, OUTPUT-ENABLE, END-OF-CONVERSION

• Nei convertitori direttamente interfacciabili con i sistemi a microprocessore, i segnali che danno inizio alla conversione (SC), che ne segnalano la fine (EOC) e che permettono la lettura del dato convertito (OE), assumono spesso nomi diversi e, generalmente, sono collegati direttamente al bus del microprocessore.

• IL SEGNALE START CONVERSION, SC, E’ ABILITATO QUANDO: CS = 0 , WR = 0 • IL SEGNALE OUTPUT-ENABLE, OE, E’ ABILITATO QUANDO: CS = 0 , RD = 0 • II termine della conversione e segnalato dall’ADC, che pone al livello logico

basso il pin INTR (EOC) della CPU.

LA QUANTIZZAZIONE • La trasformazione di un segnale analogico che può assumere infiniti valori, in un dato

digitale, implica automaticamente un’operazione di QUANTIZZAZIONE.

• La Quantizzazione associa ad ogni tensione di ingresso compresa in un intervallo di valori definito, uno ed un solo numero digitale.

• i codici che possono essere rappresentati in uscita con n bit sono solo 2n Ad esempio con 3 bit possono essere rappresentate 2 3 = 8 codici. I codici devono quindi essere associati ad un intervallo di valori della tensione di ingresso.

• L’operazione di quantizzazione implica ovviamente una perdita di informazione, dato

che dal codice binario di uscita non è possibile risalire al valore preciso della tensione di ingresso, ma solo all’intervallo di valori associato a quel determinato codice. Questa conseguenza prende il nome di «rumore di quantizzazione».

IL PASSO DI QUANTIZZAZIONE (QUANTO) e la Tensione di Fondo Scala (o di riferimento)

Ad un convertitore viene applicata una tensione continua particolarmente stabile detta tensione di riferimento (VREF). Questa tensione viene anche detta tensione di fondo scala (VFS). Si definisce QUANTO (o passo di quantizzazione), il rapporto:

Q = 𝑉𝐹𝑆

2𝑛 (Q prende il nome anche di LSB)

In alcuni convertitori ADC la risoluzione è pari a ½ LSB, invece che 1 LSB.

Esso rappresenta la risoluzione del convertitore, ovvero la più piccola tensione che applicata all’ingresso produce un cambiamento del dato digitale in uscita. Nota: In alcuni testi, la risoluzione viene definita in altro modo, e coincide con il numero di bit, n, del dato di uscita. I più comuni convertitori presenti sui mercato hanno un numero di bit n pari a 8, 12, 16 bit (sono comunque reperibili anche con risoluzioni di 10, 14, 18,20 bit).

ESEMPIO

All’ingresso di un convertitore A/D con numero di bit n=8, si applichi una tensione analogica

Vi=3,2 [V].

Sapendo che VFS=5,12 [V], quanto vale il numero generato N dalla conversione A/D ?

Soluzione:

Facendo un proporzione, si ottiene:

VFS : Vi = 2n : N

Da cui, sostituendo i dati: N = 3,2 ∙256

5,12=160

Che trasformato in binario è 1010 0000

RUMORE DI QUANTIZZAZIONE • L’operazione di conversione A/D associa ad un intervallo di valori

della tensione in ingresso un unico codice binario. Per eseguire l’operazione inversa, a ciascun codice si associa un valore di tensione che è il valore centrale di ciascun intervallo, chiamato valore nominale del codice. L’operazione di quantizzazione fa quindi perdere informazione: solo nel caso in cui la tensione Vi è esattamente uguale ad uno dei valori nominali associati ai codici, l’operazione può considerarsi trasparente, mentre in tutti gli altri casi si avrà un errore.

• L’ampiezza massima dell’errore commesso è pari a metà dell’intervallo di tensione , cioè:

E = ½ * Q = VFS/2^(n+1)

• L’effetto di tale errore può essere considerato come un rumore aggiunto alla tensione di ingresso.

• Complessivamente l’operazione di quantizzazione degrada il

segnale di ingresso, peggiorando il rapporto segnale/rumore (S/N).

ADC FLASH

I convertitori A/D sono disponibili in una grande varietà di tipi che si differenziano per numerosi fattori.

Un convertitore che effettua molto velocemente la conversione A/D è quello denominato FLASH.

Il tempo tipico di conversione è dell’ordine di 10 ns.

Di seguito mostriamo un convertitore FLASH con uscita a 3 bit costituito da sette comparatori, da un registro a latch per la sincronizzazione della conversione e da un codificatore.

• l segnale Va da convertire viene applicato agli ingressi non invertenti; l’ingresso invertente di un comparatore è connesso ad una rete resistiva che ripartisce la tensione di riferimento Vref in otto fasce, così da fissare i livelli di riferimento, o di quantizzazione, ai valori 1/14 Vref, 3/14 Vref, …., 13/14 Vref.

• Ciascun comparatore commuta la sua uscita ad 1 quando Va supera il rispettivo livello di riferimento. Le uscite dei comparatori vengono memorizzate in sincronismo con il segnale di clock e codificate per fornire un dato digitale binario.

• Il convertitore è in grado di convertire segnali analogici con escursione da 0 a Vref con un errore di quantizzazione costante e sempre minore di ± ½ LSB. Supponendo Vref = 7 V, si ottengono i livelli di riferimento rappresentati di seguito:

Funzionamento del circuito: • Per tutti i valori di Va inferiore a 1/14 Vref = 0.5 V tutti i comparatori hanno

l’uscita bassa e quindi il codice di uscita è 000. • Per tutti i valori di Va compresi fra 0.5 V e 3/14 Vref =1.5 V, solo l’uscita di C1

si porta al livello alto e l’uscita digitale indica 001. • E così via per gli altri valori di Va.

Specifiche dei convertitori A/D

• Risoluzione

• Tempo di conversione

• Gli errori di linearità, guadagno, offset

TEMPO DI CONVERSIONE Tc

• Quando si applica una tensione Vi all’ingresso di un ADC, è necessario attendere un certo tempo prima che il corrispondente codice sia disponibile in uscita. Tale tempo è chiamato tempo di conversione (Tc).

• Il valore di Tc pone due limiti fondamentali all’utilizzo di un ADC: - Il primo riguarda, come già detto in precedenza, la velocità di variazione del segnale di ingresso, che non deve variare apprezzabilmente durante il tempo di conversione. - Il secondo limite riguarda la frequenza di lettura dei dati di uscita del convertitore. Ad esempio, avendo un ADC con un tempo di conversione di 1ms, non è possibile chiedere al convertitore i dati in uscita con una frequenza superiore a quella di un dato ogni microsecondo.

Errore di linearità

L'errore di linearità rappresenta il massimo scostamento della caratteristica reale da quella ideale

Errore di guadagno Graficamente è una variazione della pendenza della retta interpolante rispetto a quella ideale. L'alterazione è dovuta a una imprecisione del valore di riferimento della tensione e a imperfette amplificazioni o attenuazioni negli stadi del dispositivo ADC che precedono il convertitore vero e proprio. La conseguenza è l'introduzione di un errore di tipo lineare, chiamato errore di guadagno.

Errore di offset Graficamente l'errore di offset è una traslazione della curva caratteristica a gradinata (e, conseguentemente anche della retta interpolante) parallelamente a se stessa, verso destra o verso sinistra, mantenendo inalterate le ampiezze dei tratti orizzontali e dei tratti verticali. Per effetto dell'errore di offset un ADC può fornire un codice di uscita diverso da zero in corrispondenza di un valore nullo della tensione analogica di ingresso (cioè in corrispondenza di Vi=0), cosa che nel convertitore ideale non accade.

Massima frequenza del segnale che è possibile convertire con solo un ADC

Si può dimostrare (ma omettiamo la dimostrazione per semplicità) che il valore massimo della frequenza del segnale che è possibile convertire con solo un ADC è:

• 𝑓𝑚𝑎𝑥 ≤1

2𝑛:1∙𝜋∙𝑡𝑐 (per ADC con risoluzione di ½ LSB)


2𝑛∙𝜋∙𝑡𝑐 (per ADC con risoluzione di 1 LSB)

Come si deduce dalle formule, fMAX, dipende solo dal numero di bit n e dal tempo di conversione tc.

Esempi:

Esempio 1:

Un convertitore ad 8 bit con tempo di conversione pari a 100 µs, può convertire con un errore di ½ LSB, segnali aventi una frequenza massima uguale a:

𝑓𝑚𝑎𝑥 ≤1

2𝑛:1∙𝜋∙𝑡𝑐 =

1

28:1∙3,14∙100∙10;6 = 6,2 Hz

Esempio 2:

Un convertitore a 12 bit, con un tempo di conversione pari a 35 µs, può convertire con un errore di ½ LSB, segnali aventi una frequenza massima uguale a:


2𝑛:1∙𝜋∙𝑡𝑐 =

1

212:1∙3,14∙35∙10;6 = 1,1 Hz

Specifiche del Sample & Hold

In un circuito S&H reale la carica del condensatore non è istantanea, così come la corrente di scarica in condizioni di hold non è nulla. Pertanto un circuito reale risulta caratterizzato da due parametri fondamentali:

TEMPO DI APERTURA (Ta)

E’ l’intervallo di tempo richiesto all’interruttore interno per aprirsi completamente, dopo che è stato dato il comando di Hold. L’ordine di grandezza è qualche centinaia di ns.

TEMPO DI ACQUISIZIONE (Tac)

Tac rappresenta il tempo di carica del condensatore in condizioni di campionamento. I valori più comuni sono dell’ordine dei µs, ma sono disponibili circuiti S&H integrati con Tac dell’ordine dei ns. Affinché un circuito S&H risulti utile, deve avere un tempo d’acquisizione inferiore al tempo Tc del convertitore A/D per cui è stato scelto.

VELOCITA’ DI SCARICA

La velocità di scarica esprime, in mV al secondo, la perdita di tensione sul condensatore in condizioni di mantenimento. Anche tale valore deve essere scelto in modo che, durante il tempo di conversione Tc, non si ripresenti il problema dell’errore di conversione.

Massima frequenza del segnale che è possibile convertire con ADC + S/H

Anche in questo caso si può dimostrare (ma omettiamo la

dimostrazione) che il valore massimo della frequenza del segnale che è possibile convertire con l’insieme di un ADC + un Sample & Hold è:


2𝑛:1∙𝜋∙𝑡𝑎 (per ADC con risoluzione di ½ LSB)


2𝑛∙𝜋∙𝑡𝑎 (per ADC con risoluzione di 1 LSB)

Si può osservare come il valore della max frequenza del segnale aumenta in questo caso, perché il tempo di apertura ta del S/H è molto più piccolo del tempo di conversione tc dell’ADC.

Esempio:

Si scelga un Sample & Hold con tempo di apertura uguale a 20 ns, facendo riferimento ad un convertitore A/D ad 8 bit. La frequenza massima del segnale ammesso in ingresso è uguale a:


2𝑛:1∙𝜋∙𝑡𝑎 =

1

28:1∙3,14∙20∙10;9 = 𝟑𝟏 KHz

Come si può notare, in questo caso la massima frequenza del segnale di ingresso è notevolmente più alta che nel caso in cui si considera l’ADC da solo senza S&H.

Convertitori A/D con track-hold interno

Alcuni convertitori A/D hanno incorporato al loro interno un particolare Sample & Hold denominato Track-Hold.

• Un Sample & Hold normale campiona il segnale (fase di sample) per la maggior parte del tempo, mentre va nella fase di Hold per il breve periodo della conversione.

• Il Track-Hold, invece, viene usato per la maggior parte del tempo nella fase di track (ovvero segue l’andamento del segnale di ingresso) e solo per un breve periodo è portato nella fase di mantenimento.

Teorema di Shannon La frequenza con cui si leggono i dati in uscita è detta frequenza di campionamento (fc). Il valore massimo di fc è stabilito dal teorema del campionamento di Shannon che stabilisce che la frequenza di campionamento Fc deve essere almeno doppia della massima frequenza del segnale da convertire Fmax.

𝑭𝒄 ≥ 𝟐 ∙ 𝑭𝒎𝒂𝒙 Se non viene rispettata tale condizione, il segnale campionato non determina in maniera fedele il segnale analogico. In realtà conviene effettuare il campionamento, se possibile, a frequenza superiori, almeno a 5 ∙ 𝑭𝒎𝒂𝒙

CAMPIONAMENTO CON ADC + S/H

Quanto tempo occorre aspettare fra una operazione di conversione A/D ed un’altra? In effetti occorre aspettare che l’ADC abbia terminato la conversione precedente e che il Sample & Hold fornisca un segnale stabile all’uscita. Si deve cioè attendere un periodo di tempo T pari alla somma dei tempi:

T = Tac + Ta + Tc Poiché la frequenza è l’inverso del periodo T, allora la frequenza con la quale si può campionare il segnale è pari a:

𝑓𝐶𝑚𝑎𝑥 ≤

1(𝑇𝑎𝑐+𝑇𝑎+𝑇𝑐)

E, in accordo con il teorema di Shannon, il segnale di ingresso, per poter essere campionato correttamente con il S/H, deve avere un valore massimo della frequenza pari a:

𝒇𝐦𝐚𝐱 ≤

𝒇𝒄𝒎𝒂𝒙𝟐 =

𝟏𝟐∙(𝑻𝒂𝒄+𝑻𝒂+𝑻𝒄)

ARCHITETTURA DI UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE MULTICANALE

Architettura di un sistema di acquisizione multicanale

Quando è necessario rilevare più grandezze in ingresso, il sistema di acquisizione diviene più complesso, composto da catene di acquisizione in parallelo e dipendenti una dalle altre almeno fino al filtro P.B.

Le frequenze di campionamento in questo modo non sono molto elevate.

Questa soluzione prevede un unico circuito S/H ed un solo convertitore A/D, la selezione del canale è resa possibile da un multiplexer analogico (MUX), schematizzato con un commutatore elettronico a più ingressi ed una sola uscita.

Un mux analogico è costituito da un certo numero di interruttori elettronici, realizzati o in tecnologia JFET o CMOS o MOSFET.

Quale degli ingressi viene selezionato a passare in uscita? Dipende dai bit S0…Sn la cui combinazione specifica quale ingresso viene selezionato.

APPENDICE: 1. DAC a resistori pesati 2. ADC ad approssimazioni successive

DAC a resistori pesati

Vantaggi e svantaggi • Vantaggi della configurazione: Semplicità;

Ridotto numero di resistori (n resistori per un codice di n bit).

• Svantaggio della configurazione: L’ accuratezza del DAC dipende dalla stabilità di Vref, dai valori

delle resistenze e dalla qualità degli interruttori.

Valori molto diversi di resistenza da integrare su singolo chip difficoltà di realizzare il preciso rapporto dei resistori (occorre una bassissima tolleranza del valore delle resistenze);

La corrente assorbita dal circuito dipende dalla configurazione dei bit di ingresso;

ADC AD APPROSSIMAZIONI SUCCESSIVE

Nell'ADC ad approssimazioni successive (in inglese: successive approximation ADC) la logica di controllo è costituita da un registro ad approssimazioni successive (S.A.R. = Successive Approximation Register):


Come negli ADC a conteggio, anche in questo caso la conversione avviene confrontando l'uscita di un convertitore DA con la tensione analogica da convertire. Il funzionamento è il seguente: L'inizio della conversione viene attivato inviando al S.A.R. il segnale SOC. In questo modo nel SAR viene caricata una parola nella quale il solo bit più significativo (MSB) è posto a 1 (tutti gli altri bit sono a zero). L'uscita del DAC, pertanto, assume il valore corrispondente al suddetto codice. Se Vin > VD il S.A.R. mantiene MSB a 1 e carica un altro 1 nel bit immediatamente successivo (cioè pone un 1 anche nel bit n-1). Se, invece Vin > VD il S.A.R. pone MSB a 0 e carica un 1 nel bit immediatamente successivo (cioè nel bit n-1). I passi precedenti vengono ripetuti allo stesso modo per i bit successivi.


Facciamo un esempio: Consideriamo un convertitore a 4 bit. All'inizio il S.A.R. viene inizializzato col codice 1000 (MSB a 1 e tutti gli altri bit a zero). Tale codice viene convertito in una tensione analogica dal DAC e confrontato con la Vin. Se Vin è maggiore di tale tensione, viene generato il nuovo codice 1100 (cioè viene messo a 1 anche il bit immediatamente successivo all'MSB). Se invece Vin è minore, il nuovo codice generato sarà 0100 (viene azzerato l'MSB e posto a 1 il bit immediatamente successivo). L'algoritmo di conversione procede allo stesso modo per i bit successivi, come mostrato in figura:


Il tempo di conversione dell’ADC ad approssimazioni successive è costante qualunque sia il valore del campione bit Vin. Indicando con TCK il periodo del CLOCK e con n bit il numero di Bit del convertitore, il tempo di conversione Tconv è: Tconv = n * TCK Il tempo di conversione non dipende dal valore del campione Vin. Al crescere della risoluzione dell'ADC il tempo di conversione aumenta. Tale incremento, però, può essere compensato dalla diminuzione di TCK, cioè dall'aumento della frequenza del CLOCK. Ciò consente di ottenere tempi di conversione costanti e ragionevolmente contenuti. Per queste ragioni gli ADC ad approssimazioni successive costituiscono una delle soluzioni circuitali più adottate dai costruttori e impiegate in svariati settori applicativi.

DAC integrati (1/3) • Tutti i DAC integrati hanno al loro

interno i due blocchi della struttura corrispondenti a set di interruttori (elettronici) e rete resistiva.

• Alcuni di essi generano al loro interno la Vref a partire dalla Vcc;

• Altri presentano un piedino sul quale la Vref deve essere resa disponibile dall’esterno (generata da appositi riferimenti di tensione, che consentono una maggior stabilità della tensione di riferimento, nel tempo e con la temperatura).

DAC integrati (2/3)

• La maggior parte dei DAC integrati ha una uscita in corrente; alcuni integrano anche il convertitore I/V fornendo l’uscita in tensione.

• Alcuni DAC accettano in ingresso il dato digitale (generalmente in binario puro) sotto forma parallela, altri sotto forma seriale per poter ridurre il numero di piedini del componente.

DAC integrati (3/3)

• Alcuni DAC dispongono di un buffer-latch di ingresso che consente l’interfacciamento diretto con la CPU.

• Questa, infatti, una volta indirizzato il DAC (visto come una periferica di uscita) e caricato il dato nel buffer-latch, può continuare ad eseguire il suo programma e limitarsi ad aggiornare il dato, se necessario.

Interfacciamento DACμP (1/4) • Vi sono diverse modalità di interfacciamento tra μP e DAC, a seconda del

tipo di CPU e di DAC integrato che si usa.

• I fogli tecnici allegati ai DAC (come del resto agli ADC) presentano, oltre alle caratteristiche elettriche, diversi schemi applicativi di interfacciamento e misura, che evidenziano aspetti particolari relativi alle tensioni di riferimento e a speciali connessioni di uscita.

Interfacciamento DACμP (2/4) • 1° esempio: il convertitore digitale analogico della figura precedente è il

DAC0830 che presenta uscita in corrente.

• L’operazionale U1 si comporta da convertitore corrente-tensione e l’operazionale U2 è in configurazione invertente a guadagno unitario.

• In tal caso la tensione di uscita Vo che si ottiene è compresa tra 0 e 5V secondo la formula: Vo= (VFS/2n)N = (VREF/28)N = (5/256)N.

Interfacciamento DACμP (3/4)

• 2° esempio: schema di interfacciamento tra un DAC a 8 bit (dotato di segnali di controllo Chip Select e WRite) e un microprocessore a 8 bit (ad es. lo Z80).

Interfacciamento DACμP (4/4) • Quando la CPU attiva il segnale , la Logica di controllo decodifica

l’indirizzo del DAC (presente sul bus indirizzi della CPU) e, tramite il segnale , abilita il funzionamento del DAC. Il DAC, da parte sua, grazie al segnale di , riconosce automaticamente le operazioni di lettura e scrittura: quando entrambe sono a livello basso, i bit d’ingresso vengono convertiti;

quando almeno una delle due linee è a livello alto il convertitore mantiene l’uscita precedente.

IORQ

CS

WR

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