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ELETTRONICA OGGI 502 - MAGGIO 2022 41 ANALOG ANALOG DESIGN Analog-to- Digital Converter Fig. 1 – Circuito integrato di conversione da analogico a digitale (Fonte: Microchip) microprocessori e FPGA (field-programmable gate array). Questi dispositivi possono eseguire migliaia o milioni di calcoli complessi al secondo, consentendo ad altre parti del sistema di controllo di decidere se è necessario intraprendere un’azione. L’acquisizione dei dati analogici nel sistema digitale avviene all’interno di un circuito integrato di conversione da analogico a digitale (Fig. 1). In parole povere, un ADCmisura il segnale analogico a una velocità uniforme e assegna un valore digitale a ciascun campione. La risoluzione del valore digitale dipende dal numero di bit utilizzati. Ogni valore digitale rappresenta un intervallo di valori analogici. Il risultato è che l’uscita digitale di un’onda sinusoidale continua viene trasformata in una serie di gradini o livelli digitali. Più numerosi sono i bit dell’ADC, più piccoli saranno i gradini e più alta sarà la risoluzione. I circuiti integrati ADC sono in genere disponibili con risoluzioni a 8 bit, 12 bit, 14 bit e 16 bit. Un ADC a 8 bit può codificare un segnale analogico su un massimo di 256 livelli; un ADC a 16 bit fornisce 65.536 livelli. Applicazioni analogiche I circuiti integrati o i moduli di rilevamento in genere incorporano un ADC e un’interfaccia digitale. Grazie a questo approccio, le funzioni di misurazione, conversione e connettività vengono integrate in un unico pacchetto compatto, risparmiando spazio prezioso sul PCB. I 2 C/SMBus Interface Control and Logic Pointer Register Configuration Register T HIGH Limit Register T LOW Limit Register Temperature Register ∑∆ A/D Converter Temperature Sensor Digital Comparator SCL SDA ALERT A 2-0 3 Molti microcontrollori e microprocessori efficienti dal punto di vista energetico includono anche prestazioni di conversione analogica. Ciò offre agli ingegneri di sviluppo sia una maggiore flessibilità di progettazione sia l’opportunità di eseguire tutte le funzioni di conversione, elaborazione e interpretazione all’interno di un unico circuito integrato a bassa potenza. La figura 2 illustra un tipico sensore di temperatura integrato dotato di interfaccia I2C digitale seriale. Il sensore può misurare temperature da -55 a +125 °C mentre l’ADC integrato è configurabile da 9 bit a 12 bit. Una conversione a 9 bit fornisce una risoluzione di misurazione di 0,5 °C; 12 bit arrivano a una risoluzione di 0,0625 °C. Nelle applicazioni industriali di manutenzione predittiva, come il monitoraggio delle condizioni operative, la misurazione e l’analisi in tempo reale del profilo di vibrazione di unmotore forniscono una buona indicazione del suo stato di salute. La vibrazione viene misurata utilizzando un accelerometro MEMS e il risultato viene presentato in “g”. I sensori MEMS sono fabbricati e progettati utilizzando tecniche di produzione per semiconduttori. Per rilevare le forze di accelerazione o decelerazione degli assi X, Y e Z, la maggior parte degli accelerometriMEMSsfruttadellesuperficiminiaturizzate, una rigida e l’altra in grado di vibrare (Fig. 3). Il movimento microscopico delle strutture MEMS provoca delle variazioni nei valori di capacità reciproca che, quando misurati, indicano l’entità e gli assi delle forze presenti. Le capacità analogiche relative a ciascun asse vengono misurate e convertite in valori digitali. Dopo che il segnale digitale è stato sottoposto ad alcune elaborazioni, i dati vengono preparati per la trasmissione al processore host tramite interfaccia seriale I 2 C. Tutte le funzioni del sensore vengono ricondotte all’interno di un circuito integrato specifico per l’applicazione (ASIC) il quale, Fig. 2 – Esempio di IC analogico di rilevamento della temperatura con capacità di conversione ADC selezionabili dall’utente e interfaccia digitale (Fonte: Microchip)