strumenti terminali digitali. argomenti della lezione: i convertitori a/d (ad integrazione e...
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STRUMENTI STRUMENTI TERMINALI DIGITALITERMINALI DIGITALI
ARGOMENTI DELLA LEZIONE:ARGOMENTI DELLA LEZIONE:
• i convertitori A/D (ad integrazione e i convertitori A/D (ad integrazione e
parallelo) e D/A (a resistenze pesate)parallelo) e D/A (a resistenze pesate)
• sistemi di acquisizione digitalesistemi di acquisizione digitale
CONVERTITORI A/DCONVERTITORI A/D
PRESTAZIONI PRINCIPALI:PRESTAZIONI PRINCIPALI:
ffCC = 1/ = 1/ ttCC frequenza di campionamentofrequenza di campionamento
n° bit n° bit = risoluzione = risoluzione
linearità e accuratezzalinearità e accuratezza
A / DA / DG(t)G(t) (G(Gii, t, tii) i=1 ...... N) i=1 ...... N
ttii=i =i ttCC
CONVERTITORE A/D ad INTEGRAZIONE CONVERTITORE A/D ad INTEGRAZIONE
(a doppia rampa)(a doppia rampa)
E’ la tecnologia più semplice e diffusaE’ la tecnologia più semplice e diffusa
E’ lentoE’ lento display, mulltimetri, display, mulltimetri,
sistemi acquisizione dati sistemi acquisizione dati
staticistatici
Schema e componentiSchema e componenti
- V - V rifrif RR
CC
--
++VVinin
ClockClockLogica di Logica di controllocontrollo
ContatoreContatore
ComparatoreComparatore
IntegratoreIntegratore
Fasi della conversioneFasi della conversione
1) Input 1) Input VVinin integrato per tempo fisso integrato per tempo fisso TT11
TT11 fisso fisso
VVinin alta alta
VVinin bassa bassa
- V - V rifrif RRCC
--++
VVinin
ContatoreContatore
ClockClockLogicaLogica
VVOUTOUT (T(T11)) ==
11
RCRCVVinindtdt ==
VVinin
RCRC00
TT11
TT11
2) Integratore connesso a 2) Integratore connesso a -V-Vrifrif
VVOUTOUT(t) =V(T(t) =V(T11) -V) -Vrifrif t / RC t / RC
Si misura Si misura TT22 per per VVOUTOUT=0=0
TT11 fisso fisso
VVinin alta alta
VVinin bassa bassa
TT22 variabile variabileComparatore: arresta Comparatore: arresta clock quando clock quando VVOUTOUT=0=0
- V - V rifrif RRCC
--++
VVinin
ContatoreContatore
ClockClockLogicaLogica
3) Si trova3) Si trova VVinin=V=Vrifrif T T2 2 / T/ T11
TT11 fisso fisso
VVinin alta alta
VVinin bassa bassa
TT22 variabile variabile
Vantaggi:Vantaggi:
Insensibilità ai disturbi grazie Insensibilità ai disturbi grazie
all’integratoreall’integratore
Precisione: misura di tempi è precisaPrecisione: misura di tempi è precisa
- V - V rifrif RRCC
--++
VVinin
ContatoreContatore
Problemi:Problemi:
VVrifrif deve essere costante deve essere costante
Intrinsecamente lentoIntrinsecamente lento(misure statiche o S/H)(misure statiche o S/H)
- V - V rifrif RRCC
--++
VVinin
ContatoreContatore
CONVERTITORE A/D PARALLELO CONVERTITORE A/D PARALLELO
(“FLASH”)(“FLASH”)
E’ usato per la sua elevata frequenza di E’ usato per la sua elevata frequenza di
campionamentocampionamento sistemi acquisizione sistemi acquisizione
dati dinamici e dati dinamici e
multicanalemulticanale
Funzionamento di A/D “flash” aFunzionamento di A/D “flash” a N=4 N=4 bitbit
1) 1) VVrifrif è diviso in è diviso in 22NN
parti separate daparti separate da1 LSB 1 LSB tramite le tramite le RR che def. che def. (2(2NN-1) -1) soglie soglie (V(Vrifrif))ii
VVrifrifIngresso Ingresso VVinin
}}
3R/23R/2
RR
RR
RR
R/2R/2N=4 bitN=4 bitUscitaUscita
con le sogliecon le soglie (V (Vrifrif))ii
se se VVinin (V� (V� rifrif))ii
(V(VOUTOUT))i i =ON=ON
sese V Vinin < (V < (Vrifrif))ii
(V(VOUTOUT))ii=OFF=OFF
L’uscita L’uscita (V(VOUTOUT))i i non non
è un numero è un numero
binariobinario
2) 2) (2(2NN-1) -1) comparatoricomparatori confrontano confrontano VVinin
VVrifrifIngresso Ingresso VVinin3R/23R/2
RR
RR
RR
R/2R/2
3) Decodificatore 3) Decodificatore converte le uscite converte le uscite (V(VOUTOUT))i i dei dei
comparatori nella comparatori nella parola binariaparola binaria
VVrifrifIngresso Ingresso VVinin
}}
3R/23R/2
RR
RR
RR
R/2R/2N=4 bitN=4 bitUscitaUscita
Limite: Limite: alto numero di alto numero di
comparatori e resistenze comparatori e resistenze
preciseprecise
SeSe N=4 bit N=4 bit (2 (2NN-1)=15 -1)=15
comparatoricomparatori
SeSe N=8 bit N=8 bit 255 255
comparatori !comparatori !
Flash a 4 bitFlash a 4 bit
A/D A/D #2#2
A/D A/D #1#1
D/AD/A
4 MSB4 MSBVVinin
ConvertitoriConvertitori““flash”flash”
Per fare un Per fare un flash flash ad ad 8 bit 8 bit si usano si usano spesso spesso 22 convertitori a convertitori a 4 bit4 bit
1) Convertitore 1) Convertitore A/D #1A/D #1 I° 4 bit (MSB) I° 4 bit (MSB)
2) Si genera la differenza tra 2) Si genera la differenza tra VVinin e e
V(MSB) V(MSB) tramite convertitore tramite convertitore D/A D/A e e
comparatorecomparatore
A/D A/D #2#2
A/D A/D #1#1
D/AD/A
4 MSB4 MSB
4 LSB4 LSB
VVinin
3) La differenza è convertita 3) La differenza è convertita
da da A/D #2 A/D #2 a 4 bita 4 bit
A/D A/D #2#2
A/D A/D #1#1
D/AD/A
VVinin4 MSB4 MSB
4 LSB4 LSB
INCERTEZZA DEI CONVERTITORI A/DINCERTEZZA DEI CONVERTITORI A/Da) Variazioni termiche e di tensione di a) Variazioni termiche e di tensione di alimentazionealimentazione variazione di sensibilitàvariazione di sensibilitàerrori sistematicierrori sistematici CALIBRAZIONECALIBRAZIONE
00 FSFS
11111111
10001000
0000000000 FSFS
11111111
10001000
00000000
b) Per imperfezioni costruttive b) Per imperfezioni costruttive non non
linearità: un bit differisce dall’altrolinearità: un bit differisce dall’altro
01100110
01010101
01000100
00110011
00100010
1 LSB ideale1 LSB ideale
Errore sul bitErrore sul bit
00 FSFS
11111111
10001000
00000000
CONVERTITORI D/ACONVERTITORI D/A
Convertitore D/A = dispositivo che Convertitore D/A = dispositivo che
riceve in ingresso un codice binario ad riceve in ingresso un codice binario ad
N bit N bit e lo trasforma in uscita analogica e lo trasforma in uscita analogica
elettrica elettrica (V od I)(V od I)
Ampiezza dell’uscita proporzionale al Ampiezza dell’uscita proporzionale al
numero binario in ingressonumero binario in ingresso
N bitN bit D / AD / A Uscita Uscita analogicaanalogica
Funzione tipica:Funzione tipica: - generare segnali - generare segnali
analogici con analogici con
sistemi digitalisistemi digitali
Applicazione:Applicazione: - qualsiasi sistema - qualsiasi sistema
di controllo di controllo
digitaledigitale
Convertitore Convertitore D/A D/A RR11
“Ladder”“Ladder”
Struttura generale di un convertitore D/AStruttura generale di un convertitore D/A
Il Il LadderLadder cambia il valore della propria cambia il valore della propria
resistenza resistenza RR11 in funz. del codice binario in funz. del codice binario
L’amplificatore retroazionato negativamente L’amplificatore retroazionato negativamente
con con RR fissa è così collegato ad fissa è così collegato ad RR11 variabile variabile
}}VVrifrif
Ingresso N bitIngresso N bitRR
--
++ VVUU
Allora Allora VVU U = -V= -Vrifrif R / R R / R11
Se Se RR11 codice binario codice binario in ingresso in ingresso
VVUU codice binario codice binario in ingresso in ingresso
Il convertitore D/A fa proprio questoIl convertitore D/A fa proprio questoRR
--
++
RR11
VVrifrif
VVUU
LadderLadder
Vrif = cost Vrif = cost e ingresso e ingresso (b(bNN, ....., b, ....., b11) ) con con
bb11=LSB=LSB
Il convertitore D/A è progettato per dare Il convertitore D/A è progettato per dare
VVUU == -V-Vrifrif
bbNN
2211 ++bbNN--11
2222 ++ ........ ++bb11
22NN
}}
VVrifrif
Convertitore Convertitore D/A D/A RR11
“Ladder”“Ladder”
Ingresso N bitIngresso N bit
RR
--
++ VVUU
Es.: se Es.: se 4 bit 4 bit e ingresso = e ingresso = 11111111
VVUU = -V = -Vrifrif(1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16)= -V(1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16)= -Vrifrif15/1615/16
Es.: se Es.: se 4 bit 4 bit e ingresso = e ingresso = 00000000 VVUU = 0 = 0
Pertanto la relazione fornisce:Pertanto la relazione fornisce:
22NN = 16 = 16 livelli di uscita tra livelli di uscita tra 00 e e -(15/16)V -(15/16)Vrifrif
VVUU == -V-Vrifrif
bbNN
2211 ++bbNN--11
2222 ++ ........ ++bb11
22NN
Ladder a resistenze pesate Ladder a resistenze pesate = = resistenze resistenze diverse in parallelo connesse a deviatori diverse in parallelo connesse a deviatori pilotati dai pilotati dai bit bbit b11...b...bNN
Se Se bit bbit bi i =1 =1 resistenza è inserita in resistenza è inserita in
parallelo all’ingresso invertente parallelo all’ingresso invertente dell’amplificatore operazionale dell’amplificatore operazionale RR11
RR
--
++ VVUU
VVrifrif
11 110000
Al Al bb11 è connessa resistenza = è connessa resistenza = 22N N R R
AlAl b b22 è connessa resistenza = è connessa resistenza = 22N-1N-1 R R
AlAl b bNN è connessa resistenza = è connessa resistenza = 2 R2 R
RR
--
++ VVUU
VVrifrif
11 1100002R2R 4R4R 8R8R 16R16R
Essendo in parallelo vale:Essendo in parallelo vale:
solo gli elem.solo gli elem.
con con bbii = 1 = 1
11
RR11
==bbNN
2211RR++
bbNN--11
2222RR++ ........ ++
bb11
22NNRR
RR
--
++ VVUU
VVrifrif
11 1100002R2R 4R4R 8R8R 16R16R
Poichè Poichè
VVU U = -V= -Vrifrif R / R R / R1 1
sostituendo sostituendo RR11
si ha l’uscita dal si ha l’uscita dal convertitore convertitore VVUU
RR
--
++
RR11
VVrifrif
VVUU
VVUU == -V-Vrifrif
bbNN
2211 ++bbNN--11
2222 ++ ........ ++bb11
22NN
E’ la relazione desiderataE’ la relazione desiderataarchitettura OKarchitettura OK
SISTEMI DI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI ACQUISIZIONE DATI
DIGITALIDIGITALI
PERCHE’ UN SISTEMA DI PERCHE’ UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALE ?ACQUISIZIONE DATI DIGITALE ?
compatibilità con sistemi di calcolocompatibilità con sistemi di calcolo
immunità ai disturbi (in fase di immunità ai disturbi (in fase di registrazione, conservazione, registrazione, conservazione, riproduzione e trasmissione del riproduzione e trasmissione del segnale)segnale)
flessibilità (configurazione del sistema flessibilità (configurazione del sistema programmabile)programmabile)
SCELTA DI UN SISTEMA DI SCELTA DI UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATIACQUISIZIONE DATI
tipo e numero di segnalitipo e numero di segnali
tipo di applicazione (laboratorio, tipo di applicazione (laboratorio, impianto industriale, veicolo in impianto industriale, veicolo in esercizio, ecc.)esercizio, ecc.)
esigenze di interfacciamento con altri esigenze di interfacciamento con altri sistemi di calcolo, controllo ecc.sistemi di calcolo, controllo ecc.
PARAMETRI CARATTERISTICI DI UN PARAMETRI CARATTERISTICI DI UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALEDIGITALE
risoluzione (numero di bit degli A/D)risoluzione (numero di bit degli A/D)
numero di canalinumero di canali
frequenza di campionamento per ogni frequenza di campionamento per ogni canalecanale
profondità di memoria per ogni canaleprofondità di memoria per ogni canale
bus di collegamento con l’elaboratorebus di collegamento con l’elaboratore
ALCUNI TIPICI SISTEMI DI ALCUNI TIPICI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALIACQUISIZIONE DATI DIGITALI
Sistema digitale autonomoSistema digitale autonomo((data loggerdata logger,, transient recorder transient recorder ecc.) ecc.)
Scheda acquisizione dati per PCScheda acquisizione dati per PC(spesso A/D e D/A)(spesso A/D e D/A)
Oscilloscopio digitaleOscilloscopio digitale
PRINCIPALI COMPONENTI DI UN PRINCIPALI COMPONENTI DI UN SISTEMA ACQUISIZIONE DATI DIGITALESISTEMA ACQUISIZIONE DATI DIGITALE
CC = elementi di condizionamento del = elementi di condizionamento del segnale (ampl., filtro anti aliasing e altri segnale (ampl., filtro anti aliasing e altri eventuali elementi, linearizzatori ecc.)eventuali elementi, linearizzatori ecc.)
S/H S/H = circuito= circuito sample & hold sample & hold
A/D A/D = convertitore = convertitore A/DA/D
G(t)G(t)A/DA/DTT C=A+FC=A+F S/HS/H
bus di comunicazione con calcolatorebus di comunicazione con calcolatore
memoriamemoria
se se sistema multicanale sistema multicanale multiplexer multiplexer
analogico analogico (AMUX) (AMUX) o digitale o digitale (DMUX)(DMUX)
G(t)G(t)A/DA/DTT C=A+FC=A+F S/HS/H
CONFIGURAZIONE CONFIGURAZIONE DEI SISTEMI DI DEI SISTEMI DI ACQUISIZIONE ACQUISIZIONE
DIGITALIDIGITALI
a) SCHEMA per MISURE STATICHE:a) SCHEMA per MISURE STATICHE:
N canali campionati in sequenzaN canali campionati in sequenza
A/DA/D
TT11
TTNN
CC11
CCNN
AAMMUUXX
LOGICA DI LOGICA DI CONTROLLCONTROLL
OO
}} n bitsn bits
Preciso (usa convertitore ad Preciso (usa convertitore ad integrazione)integrazione)
L’L’AMUXAMUX permette uso di un solo permette uso di un solo A/DA/D
Dati non contemporanei (non c’è Dati non contemporanei (non c’è S/HS/H))
Solo misure statiche (non c’è Solo misure statiche (non c’è S/HS/H))
Lento (usa convertitore ad integrazione Lento (usa convertitore ad integrazione ed ed AMUXAMUX))
b) SCHEMA per MISURE DINAMICHE:b) SCHEMA per MISURE DINAMICHE:
N canali campionati in sequenza; il S/H N canali campionati in sequenza; il S/H permette la conversione A/D con permette la conversione A/D con ingresso tempovarianteingresso tempovariante
TT11
TTNN
CC11
CCNN
AAMMUUXX
LOGICA DI LOGICA DI CONTROLLOCONTROLLO
A/DA/D }} n bitsn bitsS/HS/H
c) SCHEMA per MISURE DINAMICHE c) SCHEMA per MISURE DINAMICHE SIMULTANEE:SIMULTANEE:
N canali campionati simultaneamenteN canali campionati simultaneamente
TT11
TTNN
CC11
CCNN
A/DA/DAAMMUUXX
LOGICA DI LOGICA DI CONTROLLCONTROLL
OO
}} n n bitsbits
S/HS/H
S/HS/H
d) SCHEMA per MISURE DINAMICHE ad d) SCHEMA per MISURE DINAMICHE ad ALTA FREQUENZA DI CAMPIONAMENTOALTA FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO::NN canali campionati simultaneamente canali campionati simultaneamente da da N A/DN A/DMultiplexaggio digitaleMultiplexaggio digitale
}}
computer computer busbus
TT11
TTNN
CC11
CCNN
A/DA/DS/HS/H
S/HS/H A/DA/D
MMUUXX
DDIIGGIITTAALLEE
COLLEGAMENTO TRA SISTEMA DI COLLEGAMENTO TRA SISTEMA DI ACQUISIZIONE E CALCOLATOREACQUISIZIONE E CALCOLATORE
Il sistema di acquisizione dati A/D Il sistema di acquisizione dati A/D viene gestito come una unità periferica viene gestito come una unità periferica dall’elaboratoredall’elaboratore
Il sistema di acquisizione è una scheda Il sistema di acquisizione è una scheda all’inteno del PCall’inteno del PC
COLLEGAMENTO TRA SISTEMA DI COLLEGAMENTO TRA SISTEMA DI ACQUISIZIONE E CALCOLATOREACQUISIZIONE E CALCOLATORE
Il sistema di acquisizione dati Il sistema di acquisizione dati A/D A/D è è gestito come unità periferica dal gestito come unità periferica dal calcolatore calcolatore
Concetto di comunicazione seriale:Concetto di comunicazione seriale:
Parola = N bitParola = N bit
Esistono standard: es. RS-232, RS-422Esistono standard: es. RS-232, RS-422
1 10 1 1 0 11 10 1 1 0 1
AA BB
Concetto di comunicazione parallela:Concetto di comunicazione parallela:
es. standard IEEE-488es. standard IEEE-488
AA BB
110011110000001100
Parola N bitParola N bit
Concetto di comunicazione parallela:Concetto di comunicazione parallela:
es. standard IEEE-488es. standard IEEE-488
AA BB
110011110000001100
Parola N bitParola N bit
REGISTRATORI A REGISTRATORI A
NASTRO MAGNETICONASTRO MAGNETICO
Registrano segnali analogici su nastro Registrano segnali analogici su nastro magnetico in modo permanentemagnetico in modo permanente
Consentono la riproduzione dei segnali Consentono la riproduzione dei segnali registratiregistrati
SCHEMA DI FUNZIONAMENTOSCHEMA DI FUNZIONAMENTO
Testina di Testina di registrazioneregistrazione
Testina diTestina diriproduzioneriproduzione
NastroNastro
REGISTRAZIONEREGISTRAZIONE
- nella testina di - nella testina di
registrazione correnteregistrazione corrente
I(t) I(t) E(t) E(t) da registrareda registrare
- - I(t) I(t) genera flusso genera flusso
magnetico magnetico (t)(t)
E(t)E(t)
UU
S NS N
- nastro di plastica - nastro di plastica
coperto di ossidi si coperto di ossidi si
magnetizza magnetizza
permanentemente permanentemente (t) (t)
- il nastro trasla con - il nastro trasla con
velocità U quindi velocità U quindi
registra il segnale in registra il segnale in
maniera sequenzialemaniera sequenziale
E(t)E(t)
UU
S NS N
RIPRODUZIONERIPRODUZIONE
- il nastro magnetizzato - il nastro magnetizzato
trasla con velocità trasla con velocità UU
- nella testina di - nella testina di
riproduzione si genera riproduzione si genera
f.e.m. f.e.m. EEUU(t) (t) d d(t) / dt(t) / dt
- se - se (t) = cost (t) = cost
uscita uscita E(t) = 0E(t) = 0
EEUU(t)(t)
UU
PERTANTO:PERTANTO:
- uscita - uscita EEUU(t) (t) dE(t) / dt dE(t) / dt necessità necessità
di amplificazione non linearedi amplificazione non lineare
- difficoltà nella registrazione e - difficoltà nella registrazione e
riproduzione diretta di segnali costanti riproduzione diretta di segnali costanti
e a bassa frequenzae a bassa frequenza
Registrano piu’ canali sullo stesso Registrano piu’ canali sullo stesso
nastronastro
Consentono la registrazione e la Consentono la registrazione e la
riproduzione a velocita’ diverseriproduzione a velocita’ diverse
Tecnologie analoghe sono usate per la Tecnologie analoghe sono usate per la
registrazione digitale su dischi registrazione digitale su dischi
magneticimagnetici
SOLUZIONI TECNOLOGICHE:SOLUZIONI TECNOLOGICHE:A) REGISTRAZIONE ANALOGICA AM A) REGISTRAZIONE ANALOGICA AM Amplitude ModulationAmplitude Modulationsegnale segnale E(t) E(t) modula ampiezza di una modula ampiezza di una onda portanteonda portante
Segnali costanti generano Segnali costanti generano (t) (t) variabile, quindi sono riproducibilivariabile, quindi sono riproducibili
segnale E(t)segnale E(t)
onda portante A sin(onda portante A sin(PPt)t)
E(t) A sin(E(t) A sin(PPt)t)
MODULATORE MODULATORE A.M.A.M.
segnalesegnalemodulato AMmodulato AM
in riproduzione il segnale AM viene in riproduzione il segnale AM viene
demodulato per restituire demodulato per restituire E(t)E(t)
FILTROPASSABASSO
RADDRIZ .
Demodulazione possibile se Demodulazione possibile se PP della della
portante è molto maggiore della portante è molto maggiore della massima frequenza del segnale massima frequenza del segnale portante ad alta freq. portante ad alta freq. PP 10 � 10 �
PROBLEMA: in registrazione A.M. la PROBLEMA: in registrazione A.M. la
ampiezza del segnale registrato ampiezza del segnale registrato
contiene l’informazionecontiene l’informazione
Ogni imperfezione del nastro causa Ogni imperfezione del nastro causa
errori in riproduzioneerrori in riproduzione
B) REGISTRAZIONE ANALOGICA F.M. B) REGISTRAZIONE ANALOGICA F.M.
(Frequency Modulation)(Frequency Modulation)
il segnale da registrare il segnale da registrare E(t) E(t) modula in modula in
frequenza un’onda portante frequenza un’onda portante PP 500kHz 500kHz
MODULATORE F.M.
segnale E(t)segnale E(t)
onda portanteonda portante
segnale modulato FMsegnale modulato FM
BANDA PASSANTE TIPICA 0 - 80 kHzBANDA PASSANTE TIPICA 0 - 80 kHz
La informazione è contenuta nella La informazione è contenuta nella
frequenza del segnale di frequenza del segnale di
magnetizzazione e non nella sua magnetizzazione e non nella sua
intensitàintensità
La registrazione FM è molto meno La registrazione FM è molto meno
sensibile ai difetti sul nastrosensibile ai difetti sul nastro
C) REGISTRAZIONE MAGNETICA C) REGISTRAZIONE MAGNETICA DIGITALEDIGITALE
segnale convertito da A/D in stringa segnale convertito da A/D in stringa binaria (sequenze di 0 ed 1) (Pulse Code binaria (sequenze di 0 ed 1) (Pulse Code Modulation PCM)Modulation PCM)
sul nastro si registrasul nastro si registra sequenza di zone a sequenza di zone a magnetizzazione altamagnetizzazione alta e e bassa (prossime bassa (prossime alla saturazione)alla saturazione)
00 00
0000
111111
11 11 11
Vantaggi: ottima insensibilità ai difetti Vantaggi: ottima insensibilità ai difetti
sul nastrosul nastro
Problemi: lunghe stringhe di 0 o di 1 Problemi: lunghe stringhe di 0 o di 1
generano segnali continui, non generano segnali continui, non
riproducibili riproducibili necessità di codifiche necessità di codifiche
particolari (con ritorno a I(t) = 0 tra particolari (con ritorno a I(t) = 0 tra
ogni bit ecc.)ogni bit ecc.)