Introduzione alla lezione

Lo schema che segue mostra i sensori che abbiamo visto finora. In questa lezione cercheremo di capire quali sono le operazioni da compiere per passare dal sensore all'elaboratore e viceversa. Per l'esame, oltre alle domande finali, la questione importante da capire sono i passaggi che avvengono per permettere all'elaboratore (quindi l'utente) di interfacciarsi con i sensori.

Introduzione al condizionamento dei segnali

Un progettista di sistema è raramente in grado di connettere un sensore direttamente ai dispositivi per il processamento del segnale, a meno che il sensore non abbia un circuito integrato in grado di fornire l’uscita in un formato opportuno.

Per questo motivo è necessario che i segnali provenienti dai sensori siano “condizionati” prima della loro elaborazione: un’interfaccia o circuito di condizionamento del segnale ha lo scopo di trasformare il segnale proveniente dal sensore in un segnale equivalente di formato compatibile con il dispositivo di processamento.

Schema di elaborazione dei segnali

Come notiamo in figura, i sensori hanno bisogno di una fase di condizionamento prima della vera e propria conversione analogico-digitale. Nella fase di condizionamento avviene l'adattamento dell'impedenza e l'amplificazione (scopriremo nella prossima lezione che ci potrebbe essere anche la fase di filtraggio).

Per quanto riguarda l'adattamento dell'impedenza, per un segnale che per esempio viaggia su un cavo molto lungo, se il ricevitore consuma molta energia si ha il rischio che il segnale elettrico venga assorbito, causando una perdita di informazioni complessiva. Per questo motivo è necessario effettuare l'adattamento dell'impedenza.

Impedenza e circuito equivalente del sensore

L’impedenza di ingresso

$Z$ del circuito di condizionamento mostra quanto esso carichi il sensore (

$X$ è la reattanza):

$$R+jX=Z=\frac{V}{I}$$

Ogni volta che si prende in considerazione l’impedenza di ingresso del circuito di condizionamento è importante considerare l’impedenza di uscita del sensore al fine di calcolare la risposta in frequenza del circuito di condizionamento. Il modo più pratico di procedere è quello di modellare il sensore con un circuito equivalente (come tutti quelli visti in elettronica/elettrotecnica).
Tipicamente i sensori sono modellati come generatori di tensione reali (generatore di tensione + impedenza) (quelli che analizzaremo in seguito) o generatori di corrente reali. Questa modellazione è quella più semplice, realmente ci sono diversi modi di rappresentarlo, però non è di interesse allo scopo del corso.

Circuito equivalente di un’interfaccia di condizionamento

In verità il circuito di condizionamento non è rappresentabile soltanto con un'impedenza di ingresso, ma, contiene anche altri componenti, visibili in figura:

• $e_0$ rappresenta la tensione di offset in ingresso, ovvero la tensione generata internamente dal circuito, è connessa in serie con l’ingresso e comporta un errore indipendente dall’impedenza di uscita del sensore.
• $i_0$ rappresenta la corrente di bias in ingresso, ovvero la corrente generata internamente dal circuito. Essa circola all’interno dell’impedenza di ingresso del circuito e dell’impedenza di ingresso del sensore, generando cadute di tensioni non desiderate (anche elevate!). Inoltre a differenza della tensione di offset è proporzionale all’impedenza di uscita del sensore.
• $e_n$ ed
  $i_n$ rappresentano le componenti non desiderate di tensione e corrente che si generano nel circuito a causa delle sorgenti di rumore elettrico.
• La corrente di leakage è un’ulteriore fonte di errore che può verificarsi quando si usano circuiti ad elevata impedenza ed è costituita dalla corrente che attraversa un collegamento elettrico non desiderato (succede spesso con pasta saldante residua o polvere metallica).

Il problema dell’adattamento dell’impedenza

Per evitare errori eccessivi è necessario utilizzare come stadio di ingresso dell’interfaccia di condizionamento un circuito con elevata impedenza di ingresso (

$Z_{in}$ molto alto, generalmente dell'ordine di centinaia di

$k\Omega$).

Per lo stesso motivo è necessario che lo stadio di uscita (dell'interfaccia di condizionamento) sia in grado di fornire ai circuiti che seguono il segnale acquisito a prescindere dal loro assorbimento di corrente, cioè deve avere una bassa impedenza di uscita.

I circuiti per l’adattamento dell’impedenza realizzano il duplice obiettivo di presentare un’alta impedenza in ingresso e una bassa impedenza in uscita: si possono ottenere con amplificatori collegati come inseguitori o buffer.

La tensione che misuro in uscita

$V_{out}$ è più o meno uguale alla tensione in ingresso

$V_s$. Ecco cosa si intende per adattamento dell'impedenza, cioè garantire che questo circuito mi trasferisce tutto il segnale utile del sensore dall'ingresso fino all'uscita così non vado a perdere in misura informazione e non vado ad introdurre errori.

Amplificatori

Molti sensori passivi producono segnali di uscita deboli: la grandezza di tali segnali può essere dell’ordine dei μV (tensione) oppure pA (corrente), i dispositivi impiegati in ambito industriale per il processamento dei segnali, tuttavia, richiedono grandezze dell’ordine dei V (tensione) e mA (corrente) per questo motivo è necessario uno stadio di amplificazione tipico con guadagni dell’ordine di 10 k per i segnali in tensione e di 1 M per i segnali in corrente.

Inoltre lo scopo di un amplificatore non è solo quello di incrementare l’intensità del segnale in ingresso, può essere utilizzato anche per:

• adattare l’impedenza di un sensore a quella dell’interfaccia.
• migliorare il rapporto segnale-rumore.
• filtrare.
• isolare il sensore dal dispositivo di elaborazione del segnale.

Problemi per gli amplificatori possono nascere con i rumori elettronici, se non utilizziamo filtri appropriati rischiamo di amplificare anche il rumore (problema di analisi circuitale).

Amplificatori operazionali

Un buon amplificatore operazionale (Op-Amp) dovrebbe possedere le seguenti caratteristiche:

• due ingressi, uno invertente (-) e uno non invertente (+).
• un’elevata resistenza di ingresso (da alcune centinaia di MΩ al GΩ).
• una bassa resistenza di uscita (alcuni Ω).
• la capacità di pilotare carichi capacitivi.
• una bassa tensione di offset e0 (alcuni μV).
• una bassa corrente di bias
  $i_0$ (alcuni pA).
• un guadagno in catena aperta
  $A_{OL}$ molto elevato (preferibilmente sopra 1 M).
• un rapporto di reiezione di modo comune (Common Mode Rejection Rate, CMRR) molto elevato, ovvero l’amplificatore deve sopprimere componenti in fase di uguale entità su entrambi i terminali (ovvero deve avere un guadagno di modo comune molto basso).
• basso rumore intrinseco.
• elevato range di frequenze operative.

Generalmente sono utilizzati in retroazione, come visibile nella configurazione a sinistra nella figura sotto. Scegliendo

$R_1$ e

$R_2$ è possibile variare il guadagno.

Il guadagno in catena aperta varia con la frequenza, tuttavia è sconsigliabile impiegare un Op-Amp senza retroazione in quanto l’elevato guadagno potrebbe portare a instabilità del circuito, forte variazione con la temperatura, rumore ecc..
Infatti gli Op-Amp sono impiegati tipicamente nella configurazione con retroazione che migliora:

• linearità.
• stabilità del guadagno (costante su un ampio range di frequenze).
• impedenza di uscita.
• accuratezza del guadagno.

La retroazione non modifica:

• la frequenza alla quale il guadagno diventa unitario (i.e. la frequenza oltre la quale l’amplificatore non è più in grado di amplificare è un parametro costruttivo non modificabile dalla configurazione)
• le componenti non desiderate di tensione e corrente che sono proprie di ogni circuito di condizionamento (offset, bias e contributo di rumore elettrico).

Inseguitore di tensione

Questa è una delle configurazioni più utilizzate. L’inseguitore di tensione è un circuito elettronico dotato di:

• un’elevata impedenza di ingresso.
• una bassa impedenza di uscita.
• un guadagno di tensione prossimo all’unità.
• un elevato guadagno di corrente.

Può essere visto come un amplificatore di corrente e un convertitore di impedenza che, una volta connesso ad un sensore, influisce in maniera ridotta sulle prestazioni di quest’ultimo, fornendo quindi la funzione di buffer tra il sensore e il carico: è quindi un dispositivo ideale come stadio di ingresso per l’adattamento dell’impedenza.

In figura sono riportati alcuni esempi di configurazioni di inseguitori di tensione

La figura mostra alcune delle configurazioni più utilizzate.

Amplificatore da strumentazione

Un amplificatore da strumentazione è un amplificatore che si distingue dall’amplificatore operazionale perchè possiede un guadagno finito (<= 100) e ha a disposizione due ingressi per la connessione diretta alle sorgenti di segnale (nel caso normale il segnale è collegato solo a uno dei campi dell'op-amp).

La presenza di due ingressi utili comporta che tutte le componenti di retroazione sono collegate ad altre parti dell’amplificatore, piuttosto che ai suoi ingressi invertente e non invertente.

Quello che caratterizza gli amplificatori di questo tipo sta nel fatto che non sono sensibili al valore di V+ e V- (ai segnali in ingresso sui due capi) ma solo alla loro differenza.

Sono composti da componenti di elevata qualità e risultano quindi molto costosi.

La tensione è pari al guadagno per la differenza di tensione (guadagno scelto tramite la resistenza

$R$)

Amplificatore da isolamento

Gli amplificatori da isolamento (ISOAMP) sono sostanzialmente amplificatori da strumentazione che, in più, hanno un circuito di ingresso isolato galvanicamente dall’alimentazione e dal circuito di uscita.

Due sono le tecnologie più importanti per la realizzazione dell’isolamento galvanico:

• quella a trasformatori (utili per non rischiare di bruciare i dispositivi), che permette di ottenere anche immunità ai disturbi di modo comune su entrambi gli ingressi e su ingresso e stadio di alimentazione.
• quella ottica, che si avvale di fotoaccoppiatori, ovvero coppie di diodi emettitori di luce e fototransistor.

Collegamenti single-ended e differenziali

Come sono collegati i sensori al circuito di condizionamento? Ci sono due modalità con cui il collegamento può essere fatto: single-ended e differenziali.

Single-ended

• Solo il terminale “alto” di ogni trasduttore è collegato in modo diretto ai circuiti di amplificazione.
• Tutti i terminali “bassi” sono collegati alla massa di campo, a sua volta collegata alla massa del sistema di acquisizione.
• Per n segnali da trasmettere servono n+1 collegamenti.
• E’ fortemente dipendente dalla differenza di potenziale tra le masse (e.g. diversi punti di terra, correnti estranee, ecc …).

Differenziali (quelli più utilizzati in realtà)

• Sia il terminale “alto” sia quello “basso” sono collegati direttamente agli ingressi degli amplificatori differenziali che costituiscono l’interfaccia dei circuiti di condizionamento.
• Per n segnali da trasmettere sono necessari 2n collegamenti.
• Se c’è differenza di potenziale tra le masse, essa appare come una tensione di modo comune presente su entrambi i terminali dell’amplificatore differenziale e, pertanto, viene eliminata.

Segnali standard

Come avviene la connessione al circuito di conversione A/D in ambito industriale?

I sistemi di controllo di processi e macchine di piccole e medie dimensioni sono realizzati con unità a sé stanti che si scambiano segnali di misura e comando.

Le uscite dei trasmettitori sono tipicamente segnali di corrente nel campo 4 ÷ 20 mA, rispetto al campo talvolta utilizzato (0 ÷ 20 mA), 4 ÷ 20 mA ha il vantaggio dello zero vivo, che permette di distinguere l’interruzione del circuito dal segnale nullo(si capisce quando si rompe).

Il trasmettitore opera come un generatore di corrente comandato dal segnale di ingresso, regolando la corrente nel circuito ad un valore proporzionale a questo e, quindi, compensando in larga misura i disturbi in tensione raccolti lungo le linee di trasmissione, o gli effetti di variazione della resistenza di carico o dei cavi di collegamento. I segnali di corrente sono inviati per lunghe distanze senza ripercussioni sul segnale, al contrario dei segnali in tensione che subiscono la caduta di tensione.

Trasmettitori a 2 fili

Trasmettitori analogici a 2 fili sono usati per accoppiare sensori e dispositivi di controllo nell’industria di processo: sono di solito costituiti da un convertitore tensione-corrente. I due fili formano un loop di corrente, che dal lato della misura comprende il sensore e il trasmettitore, mentre dal lato del controllo la resistenza di carico e il generatore connessi in serie. Quando l’uscita del sensore varia allora la resistenza del generatore varia di conseguenza, modulando la corrente nel range 4 ÷ 20 mA: la corrente causa una caduta di tensione sul carico dal lato del controllo che costituisce il segnale ricevuto.

Un vantaggio della configurazione a 2 fili, oltre alla semplicità, è quello di essere indipendente dalla resistenza dei cavi di connessione e, quindi, dalla lunghezza degli stessi (entro certi limiti).

Come possiamo vedere in figura, il sensore fornisce un segnale in cui varia la tensione, questa variazione pilota il resistore variabile che va a mappare la variazione di tensione in variazione di corrente.

Lo schema completo di elaborazione dei segnali è quindi il seguente:

Data acquisition system

Un sistema di acquisizione dati (DAQ), è un sistema elettronico in grado di eseguire le seguenti funzioni:

• processamento e conversione del segnale in formato digitale -> i dati sono poi inviati ad un elaboratore per l'analisi, lo storage e la visualizzazione.
• conversione del dato processato in formato analogico -> il segnale analogico è usato per controllare un sistema o processo.

Un DAQ è quindi un'interfaccia tra il segnale analogico e il calcolatore, e può presentarsi sotto forma di moduli da connettere al computer (e.g. via seriale o USB), o schede da inserire negli slot di una scheda.
Riprendendo la figura in base che mostra lo schema di elaborazione dei segnali, diciamo che il DAQ è composto sostanzialmente da quattro elementi.

• il circuito di condizionamento del segnale:
  • segnali che provengono dai sensori potrebbero essere troppo rumorosi o pericolosi da misurare direttamente.
  • Il circuito di condizionamento del segnale gestisce un segnale in modo da poterlo adattare per l'ingresso in un ADC (adattamento impedenza, amplificazione/attenuazione, isolamento e filtraggio analogico)
  • Alcuni dispositivi DAQ includono condizionamento del segnale integrato per la misura di specifici tipi di sensori.
• il circuito di conversione analogica/digitale (ADC):
  • I segnali analogici dei sensori devono essere convertiti in dati digitali prima di poter essere elaborati da un calcolatore.
  • Un ADC è un dispositivo elettronico che campiona periodicamente il segnale ad un intervallo predefinito e lo converte in una rappresentazione numerica digitale.
  • I dati così ottenuti sono poi trasferiti ad un computer attraverso un bus computer nel quale il segnale originale è ricostruito via software.
• il bus di comunicazione dati:
  • dispositivi DAQ si collegano ad un computer tramite uno slot o una porta.
  • Il bus funziona da interfaccia di comunicazione tra il dispositivo DAQ e il computer per il trasferimento delle istruzioni e dei dati misurati.
  • I dispositivi DAQ sono disponibili nei più comuni bus computer inclusi USB, PCI, PCI Express ed Ethernet.
• il software di funzionamento:
  • Il software applicativo semplifica l'interazione tra il computer e l'utente per l'acquisizione, l'analisi la presentazione dei dati misurati.
  • Si tratta di un'applicazione software proprietaria, tipicamente fornita dal produttore del DAQ, dotata di funzioni predefinite oppure di un ambiente di programmazione per lo sviluppo di applicazioni con funzioni personalizzate.
  • Le applicazioni custom sono spesso utilizzate per automatizzare tutte le funzioni di un dispositivo DAQ, per utilizzare gli algoritmi di elaborazione del segnale e per visualizzare le interfacce utente.

Interfacce integrate, digitalizzazione diretta e bus di campo

Il trend della moderna industria di processo è quello di integrare i circuiti di condizionamento dei segnali direttamente in un singolo chip in silicio (e.g. amplificatori, multiplexer, convertitori A/D, ecc …).
L’avvento delle interfacce integrate e dei sensori digitali sta comportando una progressiva riduzione della trasmissione dati analogica nell’industria di processo a favore di una trasmissione tutta digitale: condizionamento e conversione A/D-D/A lasciano spazio ad una comunicazione fatta interamente su bus di campo digitale.
Molti sensori, inoltre, contengono direttamente al loro interno uno stadio di condizionamento e digitalizzazione: questo approccio rende il sensore “smart”, in quanto è dotato al suo interno di una certa capacità di calcolo, tuttavia ne accresce il costo. In pratica i sensori "smart" sono in grado di rendere un dato digitale già elaborato (almeno parzialmente).

Smart sensor

Gli smart sensor sono dei sensori che non restituiscono il dato grezzo (raw), ma effettuano un'elaborazione del dato, ed effettuano automaticamente il condizionamento dei segnali.

Elaborazione dei segnali su bus digitale

Tutto ciò che abbiamo visto finora è importante per comprendere il lavoro svolto degli ingegneri elettronici (come il Prof Freddi) per poi realizzare quello che sta avvenendo negli ultimi anni (una sorta di trend): realizzare l'elaborazione dei segnali direttamente su unico bus digitale così da velocizzare i vari passaggi. In figura è mostrata la rappresentazione di questa idea.

Domande di riepilogo

• Disegnare lo schema di massima per l’elaborazione dei segnali in automazione
• Che cosa si intende per condizionamento dei segnali?
  • Amplificazione, adattamento impedenza ed eventualmente filtraggio
• Come avviene il passaggio da immagine 3D analogica ad immagine 2D bidimensionale?
  • descrivere le fasi con le matrici
• Che cosa si intende per DAQ?
• Che cosa si intende per “ smart sensor ”?