DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona

Ricostruzione e distribuzione del segnale analogico

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1. Tecniche di ricostruzione.2. Distribuzione dati.3. Tipi di distribuzione:

3.1-N DAC per N canali d’uscita. 3.2-1 DAC+N S&H. 3.3-1 DAC+1 ADEMUX+N Hold. 3.4-1 DAC+1ADEMUX.

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1. Tecniche di ricostruzione

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Tecniche di ricostruzione (1/3)

• I segnali analogici forniti dai DAC presentano inevitabilmente un andamento discontinuo a causa del processo di quantizzazione intrinseco alla conversione.

• Questo fatto è fonte di problemi in fase di distribuzione, quando si vuole riportare il segnale ad una forma tale da poter essere letto e utilizzato (ricostruzione del segnale).

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Tecniche di ricostruzione (2/3)

• La conversione D/A effettua una sola operazione: interpolazione dei tempi (dal tempo discreto al tempo continuo), in quanto gli effetti della quantizzazione sono irreversibili, e quindi non può esistere una operazione inversa di “dequantizzazione”.

• Interpolare un segnale a tempo discreto significa ricostruire l’andamento del segnale tra due campioni consecutivi spaziati di Tc (periodo di campionamento).

• L’interpolazione può essere considerata come l’operazione inversa del campionamento.

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Tecniche di ricostruzione (3/3)

• Per effetto dell’errore di quantizzazione (anche se supponiamo il campionamento ideale), all’uscita del DAC risulterà in generale che il segnale analogico ricostruito sarà sempre un po’ diverso dal segnale analogico originario.

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Ricostruzione ideale (1/2)

• In base al teorema del campionamento, la ricostruzione perfetta del segnale analogico originario a partire dalla sequenza dei suoi campioni può essere ottenuta utilizzando un filtro ideale passa-basso, a valle del DAC.

• Scopo: lasciar passare tutte le frequenze fino alla frequenza massima del segnale (B) ed eliminare tutte le frequenze >B, permettendo di estrarre dallo spettro del segnale campionato solo quel pacchetto di armoniche che costituiva il bagaglio di informazioni del segnale originario.

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Ricostruzione ideale (2/2)

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Ricostruzione non ideale (1/5)

• In pratica dobbiamo fare i conti con filtri fisicamente realizzabili (non ideali) che presentano una certa banda di transizione tra la banda permessa e la banda proibita.

• Tale non idealità comporta una certa distorsione, che peraltro diminuisce all’aumentare della qualità (e del costo) dei filtri.

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Ricostruzione non ideale (2/5)

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Ricostruzione non ideale (3/5)

• Normalmente, per ridurre la complessità dei convertitori D/A, si utilizzano tecniche di interpolazione poco complesse, che tuttavia consentono di approssimare abbastanza bene l’interpolazione ideale, soprattutto se accompagnate da un moderato sovracampionamento (f>2fc):

A. Interpolazione con mantenimento;B. Interpolazione lineare.

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Ricostruzione non ideale (4/5)A. Interpolazione con mantenimento.• Detta anche interpolazione “di ordine zero”, (ZOH, Zero-Order-

Hold), consiste nel mantenere costante il valore del segnale fino al campione successivo. Cattiva approssimazione del segnale analogico; Effetto “scalettatura”.

• Si può migliorare l’approssimazione effettuando un filtraggio passabasso del segnale “scalettato” si eliminano le transizioni brusche e si addolcisce l’andamento del segnale.

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Ricostruzione non ideale (5/5)

B. Interpolazione lineare.• È detta anche interpolazione del primo ordine (“FOH, First

Order Hold).• Si ricostruisce un andamento lineare tra due campioni

consecutivi migliore dell’interpolazione con mantenimento.• Richiede tuttavia la conoscenza di due campioni consecutivi

del segnale e quindi introduce un ritardo di elaborazione.

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2. Distribuzione dati

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Distribuzione dati (1/2)

• La struttura di un sistema di distribuzione dati dipende da molti fattori, tra i quali:1) la distanza a cui devono essere trasferiti i

segnali (che condiziona il tipo di mezzo trasmissivo e la modalità di trasmissione);

2) Il numero dei dispositivi di uscita (canali di uscita) a cui trasferire l’informazione e quindi le modalità di Demultiplex;

3) La velocità con cui deve essere effettuata la distribuzione.

4) Tipo di attuatori o utilizzatori.

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Distribuzione dati (2/2)

• Spesso gli utilizzatori sono digitali (visualizzatori numerici, stampanti, motori passo-passo, ecc.), ma nella maggior parte dei casi sono di tipo analogico.

• Spesso, come abbiamo visto, oltre alla conversione D/A, sono necessarie operazioni di filtraggio – amplificazione - ricostruzione al fine di adattare i segnali alle caratteristiche degli utilizzatori.

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3. Tipi di distribuzione: 3.1 - N DAC per N canali d’uscita

3.2 - 1 DAC+N S&H. 3.3 - 1 DAC+1 ADEMUX+N Hold. 3.4 - 1 DAC+1ADEMUX.

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3.1 N DAC per N canali d’uscita (1/3)

• Il seguente sistema realizza una distribuzione digitale dei dati e una successiva conversione in forma analogica, utilizzando tanti DAC quanti sono i canali d’uscita:

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3.1 N DAC per N canali d’uscita (2/3)

• Principio di funzionamento.• I registri di ingresso, attivati dal proprio pin LE (Latch Enable),

memorizzano i dati digitali dopo ogni aggiornamento, facendo in modo che le uscite dei DAC rimangano stabili (molti DAC commerciali contengono già al loro interno il registro di ingresso, ossia un buffer-latch).

• La struttura può venire assimilata ad una multiplazione digitale (DDEMUX).

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3.1 N DAC per N canali d’uscita (3/3)

• Vantaggi: 1) Elevata velocità di distribuzione dei dati;

2) Possibilità di memorizzare i dati (in formato digitale) senza che nel tempo subiscano alterazioni;3) Possibilità di impiegare una doppia bufferizzazione (due registri in cascata), in modo da avere un aggiornamento contemporaneo dei dati all’uscita del sistema di distribuzione, grazie all’attivazione simultanea di tutti i registri analoghi all’ingresso dei DAC.

• Svantaggi: 1) Elevato numero di DAC, quindi costi

relativamente alti;2) Complessità delle connessioni se i convertitori sono distanti dal sistema di elaborazione.

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3.2 - 1 DAC+N S&H (1/3)

• Un metodo alternativo di distribuzione dei dati consiste nell’impiegare 1 solo DAC ed N circuiti di S/H, quindi di effettuare, oltre ad una conversione, anche una distribuzione di tipo analogico (ADEMUX).

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3.2 - 1 DAC+N S&H (2/3)• Principio di funzionamento. Il DAC riceve i segnali digitali, eventualmente in sincronismo con un

segnale di abilitazione proveniente dalla Logica di controllo; La sua unica uscita analogica è connessa ad N circuiti di

Sample/Hold. A questi ultimi vengono inviati in sequenza i comandi di campionamento non appena il rispettivo dato digitale viene convertito.

In questo modo si ha una memorizzazione del campione analogico tramite il condensatore del blocco S/H.

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3.2 - 1 DAC+N S&H (3/3)• Vantaggi.

1) Impiego di 1 solo DAC, quindi costi più contenuti;2) Minor complessità delle connessioni nel caso in cui i circuiti S/H

siano distanti dal sistema di elaborazione.• Svantaggi.

1) Velocità di trasferimento dei dati più bassa, a causa del tempo di acquisizione e mantenimento del blocco S/H.

2) Vi è una alterazione nel tempo dei segnali analogici memorizzati nel condensatore del circuito S/H, a causa della scarica dei condensatori (drop rate).

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3.3 - 1 DAC+1 ADEMUX+N Hold (1/2)

• Prestazioni analoghe a quelle relative alla struttura appena vista, sono offerte dalla soluzione seguente, in cui la parte di Sample del blocco S/H viene sostituita da un vero e proprio DEMUX Analogico.

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3.3 - 1 DAC+1 ADEMUX+N Hold (2/2)

• Vantaggio: Caratteristiche del tipo di quella a 1 solo DAC, però col vantaggio

di essere più semplice e meno costosa.• Svantaggi: derivanti dall’impiego dei demultiplatori:

1) possibili interazioni fra canali contigui;2) le correnti di dispersione del DEMUX possono provocare una più

rapida scarica dei condensatori di Hold, durante la fase di mantenimento.

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2.4 - 1 DAC +1 ADEMUX (1/2)• DISTRIBUZIONE DATI CHE SFRUTTA L’INERZIA DEGLI

UTILIZZATORI. Le uscite dell’ ADEMUX sono collegate direttamente agli

attuatori. Il segnale fornito a ciascun attuatore è in realtà costituito

da una serie di impulsi (campioni) di ampiezza proporzionale al codice digitale all’ingresso del DAC.

La durata degli impulsi è pari al tempo in cui la rispettiva linea di uscita dell’ ADEMUX rimane attivata e la frequenza degli impulsi è pari alla frequenza di scansione delle linee di uscita.

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3.4 - 1 DAC +1 ADEMUX (2/2)• DISTRIBUZIONE DATI CHE SFRUTTA L’INERZIA DEGLI

UTILIZZATORI.Tecnica adatta quando gli attuatori presentano

una elevata inerzia intrinseca, ossia presentano una notevole costante di tempo in ingresso: in tal modo i dispositivi eseguono l’integrazione degli impulsi ricevuti. Dispositivi di questo genere potrebbero essere gli elementi riscaldatori o strumenti indicatori elettromeccanici.

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N DAC per N canali d’uscita

• L’inconveniente dell’elevato numero dei DAC non si pone se gli attuatori da pilotare sono digitali (visualizzatori, stampanti e motori passo-passo) in quanto non richiedono l’impiego di convertitori D/A.

• Il problema dell’elevato numero di linee (complessità delle connessioni) può essere superato, con l’utilizzo di un convertitore P/S, realizzando una trasmissione seriale dei dati (al prezzo, però, di una riduzione della velocità di trasmissione).

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1 DAC+N S&H

• Si può limitare il secondo svantaggio scegliendo circuiti S/H con tempi di acquisizione o di campionamento piuttosto brevi (per rendere più veloce l’aggiornamento di tutti i dispositivi S/H).

• Ma soprattutto devono presentare tempi di mantenimento il più possibile lunghi, per evitare di dover provvedere a cicli di aggiornamento periodici (refresh) dei dati digitali anche se questi non hanno subìto variazioni.

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