Elettronica applicata e misure/Condizionamento del segnale

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4 Schema a blocchi di un sistema di conversione A/D/A

Circuiti di protezione[modifica]

Clamp a diodi verso alimentazione
Diodi Zener verso massa

6 Il segnale proveniente dall'esterno è soggetto a cariche statiche, disturbi elettromagnetici, rumore, contatti accidentali, ecc. → i circuiti di protezione limitano la tensione in ingresso a valori compresi tra le tensioni di alimentazione in modo da non danneggiare i circuiti.

7 Tipi di circuiti di protezione
  • clamp a diodi verso massa
  • clamp a diodi verso alimentazione (limita la tensione tra V_{AL+} e V_{AL-})
  • diodi Zener verso massa
  • componenti specifici

Amplificatore di condizionamento[modifica]

8 L'amplificatore di condizionamento adatta la massima dinamica A del segnale di ingresso all'ampiezza di fondo scala S del convertitore A/D, in modo da aumentare il più possibile il rapporto segnale-rumore {\text{SNR}}_q:

39 {\text{SNR}}_q al variare di A

11 Il segnale differenziale è più protetto da disturbi: alcuni trasduttori forniscono segnali differenziali, e convertitori A/D molto precisi/veloci operano direttamente su segnali differenziali → conviene usare degli amplificatori differenziali.

10-12-13-14-15 Human-edit-redo.svg Sistemi e tecnologie elettroniche - A5. Circuiti con amplificatori operazionali ideali#Modo differenziale e modo comune

Amplificatore differenziale con inseguitori di tensione agli ingressi

16 Le resistenze interne ai generatori reali in ingresso, se non sono uguali tra loro, convertono una parte del segnale di modo comune in segnale differenziale, che viene così incorrettamente amplificato → è possibile anteporre all'amplificatore differenziale una coppia di inseguitori di tensione (o voltage follower) a guadagno unitario, che grazie alla loro resistenza di ingresso infinita (in realtà molto alta) trasferiscono tutte le tensioni dei generatori sul carico indipendentemente dalle resistenze interne.

Amplificatore da strumentazione

17-18 Conviene spostare il più possibile il guadagno dall'amplificatore operazionale a valle sugli inseguitori di tensione a monte, altrimenti lo stadio a valle oltre al segnale amplificherebbe anche l'errore intrinseco dello stadio iniziale:

R_7 = R_5 \Rightarrow V_u = \frac{R_3}{R_1} \left( V_2' - V_1' \right) = 2 \frac{R_3}{R_1} \left( V_2 - V_1 \right) \left( \frac{R_5}{R_6} + 1 \right)

Multiplexer[modifica]

5-26 Schema a blocchi di un sistema di conversione A/D a più canali di ingresso
Multiplexer con elementi di non idealità

27 Il multiplexer è un banco di interruttori realizzato con transistori MOS: tramite un comando di selezione viene chiuso un solo interruttore per selezionare il canale di ingresso.

Elementi di non idealità
  • 28 resistenza equivalente R_{\text{ON}} per l'interruttore chiuso → si può minimizzarne l'effetto ponendo in uscita un inseguitore di tensione con la sua resistenza di ingresso infinita;
  • 29 corrente di perdita I_{\text{OFF}} per gli interruttori aperti;
  • 31 capacità parassita C_P, costituita dalle capacità parassite del multiplexer e del carico → ha un comportamento passa-basso limitando la banda del segnale trasferito.

Modulo di sample e hold[modifica]

Analisi dell'andamento dell'uscita[modifica]

35 Sequenza di stati di un modulo di sample e hold
33-34-37 Fasi
  • 38 inseguimento (tracking): l'uscita è uguale all'ingresso, cioè il modulo di sample e hold diventa un amplificatore con guadagno unitario;
    • errori statici: guadagno, offset, nonlinearità;
    • errori dinamici: tempo di assetto, limiti di banda;
  • 40 campionamento (sampling): viene campionato il valore dell'ingresso da mantenere costante, anche se non avviene in maniera istantanea:
    • tempo di apertura T_a: tempo che trascorre dal comando di hold alla completa apertura dell'interruttore;
    • tempo di assetto: tempo in cui l'uscita scende, con una variazione di ampiezza chiamata piedestallo, a un valore più basso di quello campionato (con un'oscillazione del secondo ordine);
  • 41 mantenimento (hold): il valore campionato viene mantenuto costante durante la conversione A/D:
    • errore di decadimento: il valore dell'uscita diminuisce nel tempo;
    • errore di feedthrough: una minima parte delle variazioni dell'ingresso viene riportata sull'uscita a causa dell'imperfetto isolamento;
  • 42 acquisizione: l'uscita passa dal valore mantenuto al valore corrente dell'ingresso:
    • tempo di acquisizione: dipende dai limiti di banda e dallo slew rate.

50 Il tempo di apertura T_a è affetto da un'indeterminazione nel tempo chiamata jitter di apertura (o di campionamento) T_j, che causa un errore in ampiezza pari a:

\Delta V = T_j \cdot {\left. \frac{dV}{dt} \right|}_{\text{max}}

dove \tfrac{dV}{dt} è lo slew rate.

Analisi circuitale[modifica]

49 Rappresentazione circuitale di un modulo di sample e hold

36-43 Il modulo di sample e hold è una memoria analogica composta da un interruttore (realizzato con transistori MOS) e da un condensatore di mantenimento (o di memoria) C_M:

  • inseguimento: l'interruttore è chiuso (on), ed è riportata in uscita la tensione di ingresso V_i mentre il condensatore si carica;
  • mantenimento: l'interruttore è aperto (off), ed è riportata in uscita la tensione sul condensatore carico.
Errori
  • 44 errore di guadagno: dovuto alla partizione della tensione V_i tra la resistenza interna del generatore R_g e il carico R_L mentre l'interruttore è chiuso;
  • 45 errore di decadimento: dovuto alla scarica del condensatore di mantenimento C_M sul carico R_L mentre l'interruttore è aperto:
47 per ridurre gli errori di guadagno e di decadimento conviene separare il carico dal condensatore C_M con un inseguitore di tensione
  • 46 tempo di acquisizione: dovuto al comportamento passa-basso della cella formata dalla resistenza interna del generatore R_g e dal condensatore di mantenimento C_M alla chiusura dell'interruttore:
47 per ridurre il tempo di acquisizione conviene separare il generatore dal condensatore C_M con un inseguitore di tensione
  • 48 errore di feedthrough: dovuto alla partizione della tensione V_i tra la capacità parassita C_{DS} dell'interruttore e la capacità di mantenimento C_M mentre l'interruttore è aperto;
  • tempo di assetto: dovuto alla partizione della tensione V_g tra la capacità parassita C_{GD} per effetto del segnale di comando S e la capacità di mantenimento C_M all'apertura dell'interruttore:
→ per ridurre la parte di tensione di ingresso riportata in uscita e il piedestallo occorre aumentare la capacità di mantenimento C_M,[1] anche se aumenta il tempo di acquisizione

Errore totale[modifica]

51 Il rapporto segnale-rumore totale \text{SNR}_{\text{totale}} di un sistema di conversione A/D dipende da vari errori, tra cui:

  • errore di quantizzazione: legato al numero di bit del convertitore A/D;
  • rumore di campionamento: dovuto alle sovrapposizioni degli spettri del segnale campionato;
  • jitter di apertura: introdotto dal modulo di sample e hold in fase di campionamento;
  • altri errori della catena di condizionamento (ad es. errore di guadagno degli amplificatori).

Note[modifica]

  1. Si ricorda che la capacità di un condensatore è inversamente proporzionale alla sua impedenza.
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