Acquisizione dati e digitalizzazione
Il processo di acquisizione di dati provenienti da sistemi fisici della loro elaborazione e distribuzione passa atraverso
l'intreccio delle discipline informatica ed elettronica e realizza una vasta gamma di applicazioni riguardanti sia la rilevazione
di fenomeni fisici che il controllo automatico di sistemi. Il processo è caratterizzato come mostrato nella figura sottostante da tre fasi:
Se per esempio si vuole controllare automaticamente l'irrigazione di una serra avremo un sensore di umidità che converte il segnale fisico,
costituito dal grado umidità del terreno, in un segnale elettrico che sarà processato a livello informatico da una centralina che provvederà,
a sua volta, a comandare dei dispositivi elettronici (attuatori) per l’apertura o la chiusura degli irrigatori.
I due processi: Acquisiszione e distribuzione possono essere rappresentati come nelle due figure seguenti:
La presenza del AMUX (Analog Multiplexer) serve a rilevare più grandezze con lo stesso sistema. Il Microprocessore può infatti elaborare le informazioni in
brevissimo tempo ed acquisire mediante una scansione temporale dati provenienti da diversi canali. L'amux infatti mediante un codice di selezione
funziona come uno switch rotante collegando le diverse entrate all'unica uscita in base al codice di selezione. L'animazione sottostane ci mostra in modo
abbastanza chiaro il suo funzionamento.
Una catena di acquisizione a un solo canale possiamo quindi immaginarla composta dai seguenti elementi:
Il trasduttore è il primo elemento della catena di acquisizione dati.
La sua funzione è quella di acquisire in ingresso una grandezza fisica e di fornire in uscita una grandezza elettrica (generalmente tensione,
ma esistono anche trasduttori resistivi, capacitivi e di corrente). nella figura sottostante un esempio di trasduttore di posizione costituito da una resistenza variabile:
Circuito di Condizionamento
Questa parte della catena può essere composta da più parti, che non sono sempre tutte presenti. Dipende dal compito specifico che deve effettuare il circuito. Essi servono
a modificare il segnale in uscita dal trasduttore in modo da farlo rientrare nei parametri del convertitore analogico-digitale, per poter aver così un segnale
che non crei errori di nessun genere.
La maggior parte dei trasduttori produce in uscita una variazione di resistenza. Occorre quindi trasformare variazioni di resistenza in variazioni di tensione,
in modo da ottenere un segnale amplificabile. Alcuni trasduttori poi producono in uscita variazioni di corrente che noi dobbiamo trasformare ancora una volta
in tensione, effettuando questa volta una tensione corrente/tensione.
Il Filtro
Il Filtro Ha lo scopo di eliminare tutte le frequenze del segnale, che non rientrano nella banda utile.
Viene utilizzato un filtro passa basso perché l'informazione da elaborare è allocata nella banda delle basse frequenze, quindi un buon filtraggio
migliora la qualità del segnale, occupando conseguentemente bande ristrette.
Saple and Hold
Anche questo blocco non è sempre necessario inserirlo, dipende dalla frequenza del segnale da campionare.
Questo circuito ha il compito di prelevare dei campioni dal segnale , per poi fornirli al convertitore analogico digitale.
I circuiti di sample and hold (campionamento e mantenimento), hanno la caratteristica di operare in due fasi distinte:
- la prima fase detta di sample o di campionamento in cui la tensione di uscita è pari alla tensione di ingresso;
- la seconda detta di hold o mantenimento e in questa fase il segnale di uscita rimane costante e pari al valore della tensione di ingresso nel momento precedente (sample).
Qui sotto vediamo le due fasi che compie il sample/hold:
Il risultato è il campionamento del segnale continuo
ADC e DAC
I convertitori digitale-analogico (DAC, digital to analog converter) e i convertitori analogico-digitale (ADC analog to digital converter) sono i dispositivi di interfacciamento tra mondo fisico e mondo numerico.
Il convertitore DAC accetta al suo ingresso un numero e restituisce in uscita un segnale fisico analogico, in particolare una tensione che risulta proporzionale al numero in ingresso.
I dati in ingresso sono codificati in forma binaria. Supponiamo di rappresentare il nostro numero in ingresso come una sequenza di 8 bit, nella forma: b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0.
Possiamo definire lo schema funzionale di un DAC, costituito da 8 ingressi ed una uscita
Esistono sul mercato vari tipi di DAC e le tecniche di realizzazione variano da tipo a tipo. In ogni caso le caratteritiche fondamentali di un DAC sono:
il Quanto e la risoluzione.
Per comprendere il funzionamento di un dac e le sue caratteristiche esploriamo lo schema funzionale di un DAC a resistenze pesate.
Come si vede dallo schema le resistenze in parallelo con valore 1,2,4,8,16,32,.....hanno un valore corrispondente alla potenza di 2 del bit corrispondente in ingresso che a sua volta agisce
su un interruttore che apre o chiude il circuito sulla Vref di ingresso.
Ricordando la prima legge di Ohm :  si ottiene che per ogni resistenza la corrente in ingresso
viene divisa per il peso della resistenza. Infatti calcolando la corrente dalla legge di Ohom otteniamo:
Analizziamo ora il circuito matematicamente utilizzando lo schema di seguito riportato:
Il punto di partenza è la tensione a fondo scala, o di riferimento VFS , che viene applicata dall’esterno e quindi può essere scelta a piacere.
Questa tensione viene divisa ripetutamente per 2, in corrispondenza di ciascun bit di ingresso, mediante blocchi divisori.
All’uscita di questi blocchi avremo, quindi, VFS/ 2, , VFS/ 4, VFS/ 8, e così via fino a , VFS/ 256. Tutti questi segnali vengono
convogliati a un nodo sommatore, ma il contributo che ciascun segnale da alla somma totale dipende dai valori dei bit di ingresso.
Il risultato sarà, quindi, un valore di tensione proporzionale al numero binario di ingresso.
Raccogliendo 256 al denominatore avremo:
Si noti il fatto che l’espressione tra parentesi rappresenta il numero digitale binario in ingresso N(2), convertito nel suo equivalente decimale N(10). Possiamo, quindi, scrivere:
da cui risulta con evidenza che il valore di output è proporzionale al valore di ingresso N(10), tramite la costante di proporzionalità che è detta quanto di tensione.
Il Quanto rappresenta quindi la variazione in termini di volts in uscita corrispondente alla variazione di un bit in ingresso
R è la risoluzione e cioè il numero di bit in ingresso.
Il convertitore ADC svolge loperazione contraria di un DAC e cioè converte un valore analogico in un valore digitale. Anche per esso si parla di risoluzione, cioè del numero di bit forniti in uscita,
e di quanto, cioè la minima variazione di tensione in gresso che fornisce la variazione di un bit in uscita. Lo schema minimo di un ADC è rappresentato dalla figura seguente:
Anche di ADC ce ne sono di vari tipi, lo schema di un ADC ad approssimazioni successive è il seguente:
- DAC = Digital-to-Analog converter
- EOC = end of conversion
- SAR = successive approximation register
- S/H = sample and hold circuit
- Vin = input voltage
- Vref = reference voltage
Il registro SAR genera le rappresentazioni binarie su 8 bit in successione partendo da 1 e variando un bit ad ogni periodo di clock. Questo valore viene confrontato con i corrispondente
valore binario del valore in ingresso tramite un DAC e quando essi sono uguali termina la fase di conversione generando il segnale EOC e rendendo disponibile in output la configurazione binaria generata
dal SAR che è risultata corrispondente al valore analogoco di ingresso.
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