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Oggi i sistemi informatici utilizzano in molte applicazioni semplici personal computer stand-alone o sistemi a microprocessore per la realizzazione di una rete completa di minicomputer. Tali sistemi sono utilizzati in molte applicazioni in tempo reale tra cui il controllo di processo e monitoraggio. Il processo di progettazione dei sistemi di acquisizione dati è un processo alquanto complesso e variabile. È possibile considerare la progettazione del sistema in due fasi: la progettazione funzionale e quella del progetto definitivo.

Fig. 1 – Design funzionale

Il design funzionale può essere rappresentato secondo la figura 1. Il primo passo consiste nel valutare i requisiti in accordo all’utente. Il secondo passo è quello di tradurre le esigenze specifiche in criteri elettrici, per esempio: precisione e larghezza di banda. Infine, il terzo passo è stabilire una configurazione specifica del sistema con conseguente realizzazione del progetto definitivo.

Requisiti

I requisiti, in base alla prima fase, possono essere descritti nei punti che seguono (per ogni punto forniremo esempi numerici didattici).

Canali di input analogico: il sistema è progettato per memorizzare 64 canali di dati analogici. I segnali analogici hanno una portata massima di tensione differenziale di 10V. Alcuni trasduttori saranno utilizzati per convertire il segnale in forma elettrica.

Canali di output analogici: il sistema è progettato per una trasmissione in parallelo/seriale/USB di otto segnali analogici ricostruiti dalla forma digitale e memorizzati in opportuni storage. Tutti i segnali analogici in uscita (massimo intervallo di tensione 10V) sono in modalità single-ended o differential. Secondo la trasmissione in parallelo, il sistema è progettato per emettere simultaneamente otto canali con larghezza di banda DC-5 kHz.

Precisione: l’errore quadratico medio tra un segnale analogico e la sua ricostruzione in uscita è definita dalla seguente equazione:

Con x (t) il segnale di ingresso analogico, y (t) il segnale di uscita analogico e T2 – T1 è l’intervallo temporale di analisi. Questo valore non deve superare, per esempio, lo 0,2%. L’equazione e le variabili corrispondenti sono soggette alle seguenti condizioni:

• i segnali di uscita sono ricostruiti da dati digitali memorizzati nella scheda di memoria;
• tutti i segnali di ingresso sono considerati nel range della basse frequenze;
• la precisione sarà applicata a ogni segnale di ingresso e di uscita a una velocità dati fino a
  frequenza massima;
• il guadagno di sistema è unitario.

Alcuni parametri di design

Frequenza di campionamento: è importante avere un’alta precisa riproduzione dei segnali per ogni ingresso corrispondente alla larghezza di banda. La frequenza di campionamento può essere selezionata manualmente o tramite computer. Il sistema permetterà la raccolta simultanea di 64 canali con larghezza di banda DC – 5 kHz . La frequenza di campionamento è progettata in accordo a vari parametri: la frequenza più alta della banda, il massimo livello di attenuazione per frequenze aliasing, roll-off del filtro anti-aliasing.

Filtri Anti-Aliasing: ogni ingresso analogico sarà dotato di un filtro anti-aliasing gestita manualmente o tramite computer (vedi paragrafo seguente).

Minimo e massimo di analisi temporale: il sistema sarà in grado di memorizzare 64 canali analogici con intervallo di tempo da 10 ms a 1s in base alla frequenza di campionamento. Precisione di intervallo di tempo dovrebbe essere di circa ± 25 ms.

Analisi della banda: la larghezza di banda di dati di ogni canale di ingresso o uscita sarà gestita da un minimo di DC-2.5 kHz al massimo di DC-25 kHz in conformità con la frequenza di campionamento.

Sistema di calibrazione: un programma è progettato per verificare che il DAQ sia gestito secondo i requisiti. Il programma deve individuare quale elemento non è in opera.

Raccolta dati: un programma che avvia e arresta la registrazione di 64 canali analogici. In particolare il programma è progettato per avere le seguenti operazioni: impostare il numero di inserimento dei dati, selezionare la larghezza di banda, l’intervallo di dati, la frequenza di campionamento e il guadagno del segnale in ingresso.

Trasduttore: un programma è progettato per il test e la calibrazione dei trasduttori. Tutti i dati di calibrazione sono memorizzati nella scheda di memoria o esportati in altri dispositivi di memorizzazione di massa.

Temperatura: il sistema è progettato per funzionare in un intervallo di temperatura; per esempio: -10 °C – +70 °C.

Urti e vibrazioni: il sistema è progettato per resistere a urti e/o vibrazioni ripetute.

Filtro Anti-aliasing

Le operazioni di campionamento e quantizzazione trasformano il segnale da analogico in digitale. Il filtro anti-alias è un filtro digitale utilizzato prima del campionamento di un segnale, al fine di restringere la banda del segnale stesso per soddisfare approssimativamente il teorema del campionamento di Nyquist-Shannon. I filtri anti-aliasing vengono utilizzati nei sistemi di elaborazione numerica del segnale, nelle operazioni di ricostruzione del segnale audio video o nei dispositivi di lettori musicali.

Caratteristica principale di questi filtri è l’attenuazione minima in banda passante per non attenuare in maniera consistente le componenti spettrali del segnale (Fig. 2).

Analisi statica e dinamica

L’equazione scritta sopra può essere interpretata nel seguente modo:

Ovvero:

Il requisito di precisione statica viene interpretato come 0,044 volte il tempo di ingresso. Se si deve progettare un sistema di dati con: (0.0044)C = 0.2 e I = 10V per esempio, allora la variabile C = 0.45V.

Per quanto riguarda l’analisi dinamica del segnale, devono essere presi in considerazione possibili parametri e discussioni, descritti di seguito.

Filtro passa- banda, ripple: consideriamo le specifiche di 0,1 dB per ripple in banda passante. Per fondo scala di 10V, questo valore corrisponde ad un errore di:

0.1 dB = 20 log (e0/e1), e1 = 10V, e0 = 9,885

L’errore è 1,2 %. A livello di 1V, per esempio, la componente di errore di ripple rappresenta un valore di 11,4% sulla lettura.

Filtering e tempo di apertura: il tempo di apertura è la larghezza della finestra temporale di campionamento. Il valore del tempo di apertura può essere stimato assumendo un ingresso sinusoidale e calcolando il tempo richiesto affinché esso cambi per un valore inferiore alla risoluzione. Per il convertitore a 14 bit con input a 5 kHz , il tempo necessario a mantenere l’errore inferiore rispetto alla risoluzione è di 3,9 ns.
Se volessimo utilizzare dei cavi di collegamento, per esempio collegare il trasduttore di test al dispositivo di acquisizione, allora dovremmo considerare la presenza di resistenza e capacità elettrica; la capacità in combinazione con la resistenza del trasduttore forma un filtro passa-basso RC che può attenuare le alte frequenze. Utilizzando un cavo con circa 160 pF /m e sensori con impedenza di uscita di circa 300 ohm (R), il filtro RC effettivo per 100 m è per esempio: RC = 300 * 160 * 10^-12 * 100 = 3 us.

Leggi gli articoli precedenti

DAQ (parte 1) – Sistemi di acquisizione dati: generalità di progettazione

DAQ (parte 2) – Il condizionamento dei segnali e digitalizzazione

DAQ (parte 3) – Timing system e filtering

DAQ (parte 4) – Power management e bus interface

Maurizio Di Paolo Emilio

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