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.)