DAQ (parte 6) – Design hardware (parte seconda)

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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. Il design funzionale può essere rappresentato secondo la figura 1. L’obiettivo è valutare i requisiti statici e dinamici dell’utente al fine di procedere, secondo un protocollo specifico, alla realizzazione di una configurazione specifica con conseguente realizzazione del progetto definitivo. Nella prima parte avevamo affrontato la parte statica, ripartendo da quella continuiamo con l’analisi dinamica.

Fig. 1 – Design funzionale

Analisi dinamica

L’analisi dinamica del segnale può essere valutata in accordo ai parametri che seguono.
Filtro passa-banda (Ripple): consideriamo le specifiche di 0,1 dB per ripple in banda passante. Per fondo scala (10 V), questo valore corrisponde a:

Fig. 2 – Amplificatore differenziale

L’errore è di circa 1,2%. A livello di 1 V, per esempio, la componente di errore di ripple rappresenta un valore di circa 11,4% sulla lettura.
Considerazioni su Input Filter e tempo di apertura: il tempo di apertura è la larghezza della finestra di campionamento. Il valore del tempo di apertura può essere stimato assumendo un ingresso sinusoidale e calcolando il tempo richiesto all’ingresso di cambiare per un valore che sia inferiore alla risoluzione. Per il convertitore a 14 bit con input a 5 kHz, il tempo per mantenere l’errore inferiore rispetto alla risoluzione è di 3,9 ns.  Il cablaggio è il collegamento fisico dei trasduttori / sensori con l’hardware del DAQ. Quando il segnale di condizionamento e / o hardware DAQ si trova a distanza dal PC, allora è necessario utilizzare un cablaggio opportuno per fornire il collegamento fisico. In questo caso, è molto importante valutare gli effetti del rumore esterno, specialmente in ambienti industriali.

Fig. 3 – Esempio di DAQ portatile

Una caratteristica di tutti i circuiti elettronici è rappresentata dal rumore: si tratta di una fluttuazione casuale di un segnale elettrico generato da dispositivi elettronici. In sistemi di comunicazione, il rumore è un disturbo casuale e indesiderato su un segnale di informazione utile. Esempi principali di rumore:

• Rumore termico: chiamato anche rumore Johnson-Nyquist, generato dal moto termico casuale di elettroni.
• Shot noise e Flicker noise: lo shot noise è il rumore in dispositivi elettronici dovuto a inevitabili fluttuazioni statistiche casuali della corrente elettrica in un conduttore. Il rumore flicker, invece, è noto anche come rumore 1 / f, dove le componenti a bassa frequenza hanno potenza maggiore.

Il collegamento, quindi, fra trasduttore e DAQ si compone di un opportuno cavo resistivo-capacitivo. 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 l’uscita del sensore di impedenza 300 ohm (R), il filtro efficace per 100 m, per esempio, è:

La funzione di trasferimento del filtro può essere descritta dalla seguente funzione:

con modulo di ampiezza:

 e modulo di fase:

Il filtro efficace per il cavo e sensore ha un cut-off a 53 kHz. Secondo le specifiche, vogliamo elaborare le informazioni per tutti i sensori a frequenze fino a 5 e 25 kHz. Gli errori introdotti possono essere valutati nel modo seguente: 0,44% di ampiezza e fase di -5,4° a 5 kHz, ampiezza del 9,5% e di fase -25° a 25 kHz. I dati campionati vengono utilizzati per ricostruire il segnale analogico utilizzando un convertitore D / A, questo valore viene confrontato con l’ingresso per valutare l’errore:

dove f_s è la frequenza di campionamento.

Risoluzione ADC: in base alla grandezza dell’errore, si può stimare la risoluzione di un ADC visto che tutti devono essere attenuati, per esempio, di almeno 80 dB; ciò implica che la gamma dinamica del sistema è di almeno 80 dB:

È richiesto, quindi, un convertitore A/D di 14 bit.

Larghezza di banda: la larghezza di banda è calcolata per essere 5 kHz con possibilità di 25 kHz per alcuni canali convenientemente selezionati.

Condizionatore di segnale, amplificatore, Multiplexer e ADC: ogni canale necessita di un amplificatore differenzia con CMRR di 80 dB, impedenza di ingresso di 20 MΩ, corrente di offset di 30 nA e sensibilità regolabile da ± 1 a ± 100 mV. L’amplificatore per strumentazione (amplificatore differenziale) amplifica piccoli segnali differenziali in presenza di grandi tensioni di modo comune, offrendo una elevata impedenza di ingresso. Questa caratteristica lo ha reso attraente per una varietà di applicazioni, come i ponti di misura, il rilevamento della temperatura di una termocoppia e così via. L’amplificatore di figura 2 offre un’eccellente reiezione di modo comune e un preciso guadagno differenziale, programmabile da un unico resistore. L’architettura si basa su una configurazione a due stadi: il primo stadio fornisce un guadagno di modo comune, mentre la seconda fase prevede una unità di guadagno differenziale.

Esempio di amplificatore differenziale sono MAX4198 e MAX4199 della Maxim. MAX4198/MAX4199 low power, sono ideali per le applicazioni single-supply che beneficiano di un basso errore di guadagno di 0,01%. In grado di operare con una alimentazione singola di 2,7-7,5V o da una duale di ±1.35 a ±3.75 V con consumi di solo 42 μA e larghezze di banda di 175 kHz (MAX4198) e 45 kHz (MAX4199). Questi amplificatori hanno una modalità di spegnimento che riduce la corrente di alimentazione a 6,5 ​​μA.

Esempio di DAQ portatile

Fig. 4 – Gestione avanzata power-line

La progettazione hardware e software di un sistema di misura portatile è abbastanza critica nella scelta del giusto IC per soddisfare le prestazioni elettriche richieste.  Ci sono molti compromessi da considerare, ad esempio: dimensioni rispetto alla scheda, il costo totale, ciclo di vita  e così via. Da un lato è un design discreto con componenti standard facilmente reperibili e dall’altro lato è un design personalizzato utilizzando un singolo chip a segnale misto.
La figura 3 mostra il diagramma a blocchi funzionale di un DAQ portatile utilizzando componenti discreti. Il sistema include alimentazione e circuiti analogici/digitali. L’alimentazione è gestita da batterie; la tensione della batteria può essere misurata su richiesta con il convertitore A / D. Il front end analogico può includere un circuito termistore per misurare la temperatura e un convertitore A/D con un ingresso multiplexer. Il front end digitale, invece, comprende un oscillatore a 32 kHz, un orologio in tempo reale (RTC) e un microcontrollore.

Fig. 5 – Tipica applicazione di controllo power-grid

Molte applicazioni industriali avanzate richiedono alte prestazioni, campionamento simultaneo, ADC multicanale. Come esempio possiamo considerare un avanzato monitoraggio power-line (Fig. 4) o un sistema di controllo per motore-trifase (Fig. 5). Queste applicazioni richiedono misurazione accurata simultanea su un’ampia gamma dinamica di 70-90dB (a seconda dell’applicazione). Una frequenza di campionamento comune  è di 16ksps o superiore.

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

DAQ (parte 5) – Design hardware (parte prima)

Maurizio Di Paolo Emilio

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