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Convertitori AD e DA In questa UD saranno analizzate le principali tecniche di conversione AD e DA dei segnali elettrici e i convertitori più diffusi, in relazione al loro impegno con i sistemi di controllo digitale interfacciati con i sensori e con gli attuatori. La disamina degli errori di conversazione più opportuno rispetto all’impiego cui sarà destinato di capire l’importanza del dispositivo semple-hold. Considerazioni generali: I convertitori analogico-digitale AD e digitale-analogico DA, sovente designati anche, rispettivamente, con le sigle ADC e DAC, permettono che segnali di tipo analogico possano essere elaborati tramite tecniche digitali, e che il risultato di questa conversione sia, a sua volta, un segnale destinato ad attuatori di tipo analogico.La distinzione fondamentale tra segnale analogico e digitale sta nel fatto che, mentre il segnale analogico può assumere qualsiasi valore all’interno di una certa fascia, il segnale digitale assume solo ben determinati livelli di uscita.L’evoluzione dei sistemi di controllo va sempre più nella direzione dei sistemi di controllo digitali programmabili, al contrario la maggior parte dei segnali provenienti dai trasduttori, e dei segnali destinati agli attuatori, è di tipo analogico. Sensori e trasduttori: i sensori sono i dispositivi che consentono di percepire le variazioni di una grandezza fisica e li inviano verso la strumentazione o le unità di elaborazione.I trasduttori sono dispositivi che convertono una grandezza fisica in un segnale elettrico, quest’ultimo di ampiezza legata alla variazione della grandezza fisica stessa. Termoresistenze Le termoresistenze assumono questo nome per il fatto che è una variazione di temperatura. Normalmente si indicate con la sigla RTD, essa sono traduttori di tipo analogico, stabile nelle caratteristiche e con una relazione tra grandezza fisica e segnale in uscita quasi lineare e vengono impiegate per la misura di temperature compresse tra -220°C e +850°C. Termistori Anche i termistori sono sensori analogici e vengono suddivisi in due categorie: - NTC (negative temperature coefficent), nei quali la resistenza diminuisce all’aumento della temperatura.- PTC (positive temperature coefficient) nei quali la temperatura provoca l’aumento della resistenza in quanto il coefficiente di temperatura rilevato,è positivo. Termocoppie Formata da una coppia di barrette metalliche unite agli estremi (giunti),e basata sull effetto Seebeck, le termocoppie forniscono una tensione che dipende differenza della temperaturatra il giunto di misura e quello di riferimento. - rame-costantana- ferro-costantana- nichel-cromo- platino-rodio-rodio Fotoresistori Il fotoresistore è un dispositivo realizzato in materiale semiconduttore che presenta la particolarità di modificare la sua resistenza elettrica in relazione all’intensità luminosa che lo colpisce. Attuatore L’attuatore è la parte terminale di un sistema di controllo, cioè la parte che produce l’uscita del sistema stesso: è pertanto il dispositivo che converte l’energia elettrica in un'altra forma di energia.L’attuatore può essere costituito da un motore elettrico, da un servomotore,da un elettromagnete,ma anche da resistenze di riscaldamento qualora costituiscono,ad esempio,l’elemento terminale di un sistema di controllo della temperatura di un forno. Elettromagneti Gli elettromagneti,detti anche solenoidi, trasformano l’energia elettrica in movimento meccanico di tipo lineare. Costruttivamente sono costituiti da un avvolgimento, n nucleo magnetico e di una struttura meccanica per il loro fissaggio. Quando la bobina viene alimentata,al suo interno si genera un campo magneticocce provoca il risucchio del nucleo con consegna movimento meccanico. Motori e servomotori I motori sono dispositivi che convertono l’energia elettrica in energia meccanica, compiono cioè del lavoro. Il principio di funzionamento dei motori elettrici è basato sulla realizzazione di un campo magnetico rotante e sull’interazione tra campi magnetici.I servomotori rappresentano la categoria dei motori elettrici destinatti alla movimentazione degli assi meccanici, vengono alimentati dai sevoazionmenti e la loro caratteristica saliente è quella di avere la comppia di avviamento di valore pari alla coppia massima. Converitori AD Le tipologie circuitali che consentono la realizzazione dei convertitori analogici-digitali sono numerose e variegate, e i metodi di scelta tra la diverse soluzioni sono legate tra la’ltro ai seguenti paramenti:· -la velocità di conversione, cioè il tempo impiegato dal convertitore a fornire in uscita il codice corrispondente al segnale in ingresso.· -la risoluzione di conversazione, ovvero il piu piccolo segnale in ingresso in grado di produrre una variazione del codice in uscita· -la precisione intesa come la differenza tra il valore convertito e il valore vero della grandezza da convertire.· -la deriva, ossia la variazione nel comportamento del dispositivo dovuta a cambiamenti di temperatura o invecchiamento del dispositivo. Naturalmente non bisogna dimenticare che ogni convertitore ha un valore massimo del segnale applicabile in ingresso pena il malfunzionamento, addirittura, la distruzione del dispositivo. Parametri di qualifica dei convertitori AD I principali paramentri che consentono di qualificare le prestazioni deo convertitori AD sono i seguenti:· risoluzione;· tempo di conversione;· errori. Risoluzione La risoluzione R rappresenta il livello di tensione corrispondente a un livello di codina, e dipende dal numero n di bit del codice prodotto secondo la relazione. Tempo di conversazione È il tempo impiegato dal convertitore per presentare in uscita la parola codifica corrispondente alla tensione in ingresso. I tempo di conversione variano da alcune decine di nanosecondi fino a qualche centinaio di microsecondo. Errori Rappresentano il parametro ,maggiormente significativo: sono dovuti a diversi fattori ed evidenziano la differenza tra il valore teorico che corrisponde al codice del segnale in ingresso e il codice che realmente viene generato proposto in uscita dal convertitore. L’errori possibili sono:· l’errore di qualificazione · l’errore di non linearità differenziale· l’errore di guadagno· l’errore di non linearità· l’errore di offset Convertitori DA Il convertitore digitale-analogico trasforma una parola digitale di n bit in una tensione la cui l’ampiezza è legata al valore della parola stessa. L a grandezza prodotta, normalmente una tensione, non è continua nel tempo ma può assumere solo dei livello il cui numero è legato a quello dei codici ammissibili all’ingresso del dispositivo.Due sono i parametri fondamentali dei convertitori DA:· la tensione di fondo scala cioè il massimo valore in uscita dal dispositivo coincidente con la tensione di riferimento e legata al numero di bit.· La risoluzione che rappresenta l’ampiezza, espressa in volt del bit meno significativo. Convertitore Corrente-tensione Il circuito base del convertitore corrente-tensione prevede l’impegno di un amplificatore invertente privo della resistenza di ingresso.La corrente di ingresso I risulta pertanto applicata direttamente all’ingresso invertente dell’amplificatore operazionale, e va quindi a interessare la resistenza di retroazione R. Corrente DA con rete R-2R La facilità di realizzare nelle soluzioni resistenze con due valori e di elevata precisione , implica che il convertitore maggiormente diffuso sia quello denominato convertitore AD rette R-2R. la tecnica appena citata consente la realizzazione di due tipi di convertitori, e più precisamente: a rete R-2R. Convertitori a rete R-2R invertitaÈ la versione piu diffusa perche priva dei limiti presenti nelle latre,dall’analisi del circuito emerge quanto segue:· Sono impiegati solo resistenze con valore R e 2R· La corrente che percorre le singole resistenze rimane in pratica sempre allo stesso valore indipendentemente dalla parola in ingresso. Parametri di qualifica dei convertitori DAI principali prametri che consento di qualificare le prestazioni dei convertitori DA sono i seguenti;· Risoluzione· Tempo di assestamento· Glitch· Errori Risoluzione Normalmente la risoluzione corrisponde alla tensione in uscita che implica la variazione del bit meno significativo. Tempo di assestamento È l’intervallo di tempo che trascorre tra il momento in cui viene presentata all’ingresso del convertitore la parola digitale e la disponibilità in uscita della corrispondenza tensione. Glitch Durante la variazione del codice in ingresso la corrispondente tensione in uscita può risultare affetta da delle sovratensioni transitorie che si sovrappongono ai livelli di tensione generati e che vengono indicate con il termine di glitch. Errori Anche per i DA gli errori vengono evidenziati ricorrendo alla caratteristica di trasferimento ideale del dispositivo. Teorema di Shannon e modulo smple-hold Il teorema di Shannon, noto anche con il nome di teorema del campionamento, stabilisce una condizione limite per acquisire un segnale analogico tramite una serie di campioni del segnale stesso, senza però prendere informazioni sulle sue caratteristiche. 1. la fase di campionamento che coincide con l’interrutore chiuso. In questa fase il segnale presente all’ingresso, si carica portando la tensione ai suoi capi di valore pari all’ampiezza del segnale in ingresso.2. la fase di mantenimento che corrisponde all’interruttore aperto. 3. in questo periodo la tensione di uscita dipende dalla tensione ai capi del condensatore e nn dalla tensione presente in ingresso.
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