Come utilizzare un SoC programmabile per la misura di precisione delle deformazioni

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Molti sensori di forza e di pressione fanno ricorso a elementi di rilevamento resistivi collegati secondo varie modalità nella cosiddetta configurazione a ponte. Nel contesto della teoria dei circuiti elettrici, un “ponte” è una topologia molto comune nella quale quattro dispositivi a due terminali sono collegati in modo da formare un circuito chiuso (loop). Si pensi ad esempio al rettificatore a ponte ampiamente utilizzato per lo sviluppo di progetti di alimentatori.

Fig. 1 – Schema del ponte di Wien (Fonte Wikipedia)

Quando i dispositivi a due terminali sono impedenze il cui valore può essere modificato dall’esterno gli utenti hanno a disposizione un sotto-circuito estremamente versatile. Un mix di impedenze con differenti comportamenti in frequenza permette di creare diversi tipi di circuiti oscillatori e filtri – si pensi ad esempio all’oscillatore a ponte di Wien che sfrutta proprietà di trasferimento dipendenti dalla frequenza (si faccia riferimento alla Fig. 1).

I ponti possono anche comparire in altre reti di filtri passive anche se sono spessi disegnati in maniera differente con le connessioni disposte in modo a formare il cosiddetto traliccio.

Facendo riferimento alla figura 2, considerando i nodi sulla sinistra come ingressi e i nodi sulla destra come uscite e ipotizzando che i component sul lato Z siano condensatori e quelli sul lato Z’ siano resistori si ottiene un filtro passa tutto del primo ordine.

I dispositivi a ponte sul quale verrà focalizzata l’attenzione sono solitamente composti da resistori i cui valori cambiano sotto l’influsso di qualche parametro fisico. Potrebbe trattarsi di temperatura (rilevata intenzionalmente o come effetto collaterale), un campo magnetico, una luce incidente, l’umidità oppure – come richiesto molto spesso in un gran numero di applicazioni che coinvolgono sensori industriali – deformazione fisica in un sistema meccanico.

La deformazione è un fenomeno che si verifica quando si applica uno sforzo a un oggetto fisico che a causa di ciò modifica le proprie dimensioni. La variazione potrebbe interessare la lunghezza, l’area della sezione trasversale o entrambi. Ciò influenza le proprietà strutturali del materiale con cui è fatto l’oggetto e può influenzare il passaggio di una corrente elettrica attraverso quel materiale – o in altre parole cambiare la resistenza.

Un ponte di resistenze in cui una o più di esse è collegata a un oggetto in modo tale che la loro resistenza sia influenzata dalle variazioni meccaniche dell’oggetto stesso è definito estensimento (strain gauge). Spesso i resistori si presentano sotto forma di sottili piste di metallo disposte su un substrato polimerico incollato alla struttura di interesse. L’aspetto interessante è a questo punto la modalità da seguire per estrarre informazioni utili dalle variazioni di tensione che si manifestando quando un estensimento di questo tipo misura una deformazione.

Se si trattasse di un compito banale, le aziende produttrici di semiconduttori non avrebbero alcun interesse a realizzare prodotti per aiutare il progettista a svolgerlo. Tuttavia, come spesso accade nel mondo delle misure analogiche, esistono alcune “trappole” in cui è possibile cadere. Questo è dovuto al fatto che lo sforzo deve essere di piccola entità altrimenti il materiale si deformerà in modo permanente. Uno sforzo di piccola entità implica una variazione di resistenza relativa di valore ridotto, ragion per cui il ponte risulterà solo leggermente sbilanciato.

La misura del ridotto valore di tensione ai capi dei terminali di rilevamento di un ponte pilotato è una classica applicazione di un amplificatore per strumentazione. Il compito di un tale amplificatore è fornire una rappresentazione amplificata della tensione che si manifesta tra due nodi la quale può far parte di una tensione di modo comune non nota di valore più elevato. L’uscita dell’amplificatore sarà convertita in una rappresentazione digitale mediante un convertitore A/D.

Gli amplificatori per strumentazione più datati spesso ricorrono a tecniche sofisticate per garantire livelli molto bassi di deriva e di offset di uscita e ciò può avere riflessi sul costo che risulta più elevato. Nei sistemi dove è richiesto un risultato di natura digitale, è possibile utilizzare direttamente convertitori A/D in architettura delta-sigma ad alte prestazioni con risoluzione compresa tra 20 e 24 bit senza ricorrere a uno stadio di pre-amplificazione per ottenere una precisione dell’ordine di microVolt.

A causa della sempre più massiccia diffusione di sensori di tutti i tipi e della necessità di ridurre costi, dimensioni e consumi, i progettisti sono alla ricerca di soluzioni più economiche. I componenti analogici, caratterizzati da prestazioni inferiori, integrati negli odierni microcontrollori a segnali misti sono inferiori in termini di qualità del percorso del segnale. Esiste comunque una tecnica che permette di implementare sistemi su chip singolo completi per sensori basati su ponte che producono un’uscita di valore ridotto: il campionamento doppio correlato (CDS – Correlated Double Sampling).

Ora le prestazioni analogiche dei dispositivi SoC programmabili delle più recenti generazioni sono certamente superiori rispetto a quelle dei component analogici integrati a bordo dei microcontrollori. Tensioni di offset dell’amplificatore (tarate in fabbrica) migliori di 1 mV sono ora disponibili in dispositivi economici come quelli della famiglia PSoC 4200 di Cypress. In numerose applicazioni è possibile utilizzare tali dispositivi per implementare configurazioni semplici e la loro adozione si traduce in una riduzione significativa dei cicli di progetto in numerose applicazioni di monitoraggio di processo e di rilevamento “smart”.

Comunque nel momento in cui i valori delle variazioni del livello di segnale passano dal dominio dei milliVolt a quello dei microVolt, anche i dispositivi più avanzati richiedono una progettazione più attenta. Fortunatamente, i dispositivi SoC programmabili integrano strutture flessibili per il routing analogico, consentendo in tal modo l’uso del campionamento CDS per il miglioramento della precisione.

Fig. 2 – Schema di un ponte che si presenta sotto forma di reticolo (Fonte Wikipedia)

Campionamento CDS

L’acronimo CDS è riferito a un certo numero di tecniche che prevede l’abbinamento di parecchie misure in modo da attenuare alcuni errori correlati (da cui il termine) tra le varie misure.

Questa semplice metodologia – che prevede di misurare due volte una tensione flottante, di utilizzare una connessione di ingresso differenziale la cui polarità viene commutata tra le misure e di sottrarre i risultati delle due conversioni – permette di eliminare la maggior parte degli errori che possono essere introdotti da un front end analogico (AFE).

La tensione di offset di ingresso statica intrinseca è cancellata, così come ogni altro rumore di ingresso a bassa frequenza che si manifesta, indipendentemente dalla causa (alimentazione, effetti termici, rumore LF proveniente dai dispositivi di ingresso dell’amplificatore) nel periodo di tempo che intercorre tra le due misure, che viene rilevato come errore di tensione di ingresso statico. Anche gli effetti finiti della reiezione di modo comune (di tipo lineare o non lineare rispetto alla tensione di modo comune) sono eliminati (almeno quelli del primo ordine) poiché l’impatto principale della sensitività sulla componente di modo comune ai due nodi monitorati è quello di variare leggermente la tensione di offset apparente del canale di ingresso.

Per applicazioni più avanzate dove alcuni dei segnali di errore variano molto rapidamente nel dominio del tempo, è possibile utilizzare un’estensione della tecnica per eliminare le conseguenze del campionamento delle connessioni di ingresso normale e invertita in momenti diversi. Ulteriori informazioni sono disponibili all’indirizzo: http://www.cypress.com/?docID=45637. Il circuito elettrico è lo stesso: solamente la fase di post-elaborazione risulta essere più complessa.

Fig. 3 – Circuito che utilizza la correlazione CDS per la misura del rapporto mediante ponte differenziale e a terminazione singola

Un esempio pratico

Per illustrare un esempio pratico di questa tecnica è possibile fare riferimento allo schema circuitale di figura 3. Esso è stato realizzato utilizzando i SoC a segnali misti della famiglia PSoC 4200 di recente introdotti da Cypress. Questi componenti differiscono dai microcontrollori a segnali misti tradizionali grazie all’integrazione di funzionalità di commutazione e instradamento dei segnali molto più avanzate che sono state sfruttate nell’esempio preso in considerazione.

Per prima cosa è necessario focalizzare l’attenzione sul blocco circuitale preposto all’elaborazione dell’uscita del trasduttore a ponte. I multiplexer analogici selezionano un certo numero di differenti insiemi di segnali per la conversione. Una coppia di amplificatori operazionali è configurata come amplificatore differenziale il cui guadagno può essere commutato tra il valore unitario (per scopi di diagnostici) e un valore più elevato impostabile attraverso resistori di precisione esterni.

Sebbene le prestazioni offerte da questi amplificatori siano buone, non sono sufficienti per ottenere i risulta in termini di stabilità, dell’ordine del microVolt, richiesti da un trasduttore di questo tipo. Quindi si procede con l’uso del campionamento CDS utilizzando la commutazione del segnale proprio agli ingressi dell’amplificatore, in modo da cancellare l’offset residuo, la deriva e il rumore a bassa frequenza dalla misura finale calcolata, come descritto in precedenza.

Per calcolare la deformazione nel ponte è necessario disporre di un paio di informazioni. In primo luogo una misura di elevata qualità della tensione, di valore ridotto, tra i due nodi di uscita del ponte. In secondo luogo è necessario conoscere quale tensione è stata applicata ai nodi di eccitazione del ponte. In questo caso la tensione è applicata dai pin GPIO presenti sul SoC (in modo da consentire di disabilitare i trasduttori per ridurre il consumo di potenza). Una connessione di tipo Kelvin (4 fili, forza + rilevamento) instrada la tensione del nodo di pilotaggio nei multiplexer analogici in modo da consentire al convertitore A/D di acquisire queste tensioni. Esse possono essere di valore molto prossimo a quello dei terminali (rail) di alimentazione, in modo che il convertitore A/D (che può operare in modalità rail-to-rail) possa essere configurato per poter utilizzare il terminale di alimentazione come suo riferimento. Ciò non influenza l’accuratezza del calcolo della deformazione poiché il valore di riferimento è una costante si annulla direttamente.

Per calcolare la deformazione complessiva non è necessario conoscere il numero dei resistori del ponte che cambiano i loro valori quando viene applicata una sollecitazione alla struttura alla quale è vincolato il sensore. Se si vuole calcolare la sollecitazione effettiva nel campione che causa la deformazione, è necessario disporre di maggiori informazioni circa la costruzione del ponte. Ciò è dovuto al fatto che per ottenere la più alta accuratezza possibile viene applicata una piccola correzione della linearità nel momento in cui vengono eseguiti i calcoli e il metodo di correzione dipende dal numero di resistori che sono stati deformati e da quello degli elementi di riferimento statici.

Una configurazione del tipo descritto è in grado di garantire elevate prestazioni. Il convertitore A/D integrato nel dispositivo PSoC utilizzato in questo esempio è caratterizzato da una risoluzione intrinseca di 12 bit, ma in questo caso è possibile sfruttare l’elevata velocità di campionamento (fino a 1 MSPS) e il circuito di media incluso (che non richiede l’intervento della CPU) per ridurre il rumore di fondo e incrementare in tal modo la risoluzione equivalente.

Grazie all’amplificatore differenziale di ingresso in grado di fornire un’amplificazione x44 e alla possibilità di effettuare 256 medie, i risultati misurati indicano prestazioni equivalenti prossime a quelle ottenibili con una risoluzione di 15 bit (RMS) ai terminali di uscita del ponte, equivalenti a un livello di rumore (RMS) inferiore a 8 microVolt, con un errore in continua (DC) difficile da misurare utilizzando le apparecchiature ordinarie. Questo risultato è stato ottenuto senza ricorrere a particolari accorgimenti per il layout della scheda.

Lo schema a blocchi semplificato del sotto-circuito del ponte è riportato in figura 4. La deformazione relativa del ponte è il rapporto tra l’uscita del ponte e l’eccitazione del ponte. Quindi per calcolare la deformazione relativa del ponte è necessario misurare le tensioni B1-B4 e B2-B3. Se si utilizza il campionamento CDS queste tensioni devono essere misurate due volte. commutando la polarità. Il convertitore A/D misura direttamente le tensioni di eccitazione B1-B4 e B4-B1. Le uscite del ponte B2-B3 e B3-B2 sono misurate dopo l’amplificazione fornita dall’amplificatore differenziale.

Il firmware calcola poi la deformazione relativa del ponte:

Dove Gain_preamp è il guadagno del pre-amplificatore differenziale.

Implementata sulla scheda di sviluppo del dispositivo PSoC utilizzato, questa configurazione assicura una stabilità a livello di microVolt è può essere impiegata per calcolare con accuratezza livelli molto bassi di deformazione. Il guadagno per front-end (x44) impostato in questo esempio è adatta per livelli di deformazioni di fondo scala di circa il 2%. Per le ampiezze di banda richieste per queste misure, è possibile impostare guadagni decisamente superiori attraverso una scelta accurata dei resistori esterni nel caso di sistemi che presentano deformazione statica nel sensore di piccola entità.

Misure di temperatura

Il circuito proposto in questo esempio è stato equipaggiato con un sotto-sistema per la misura della temperature, che opera simultaneamente con il sottosistema di misura della deformazione, il quale utilizza una forma di campionamento doppio correlato. La conoscenza della temperatura dell’elemento di trasduzione è utile per ottimizzare la sensibilità del sensore. Attualmente I termistori garantiscono il miglior compromesso tra accuratezza e costi tra tutte le soluzioni per la misura della temperature disponibili. Il calcolo della temperatura richiede la misura della resistenza del termistore. Per ottimizzare l’accuratezza, la misura della resistenza deve avere una dipendenza minima dalle proprietà del sistema di misura, come offset, rumore e accuratezza del riferimento e del guadagno di conversione.

Fig. 4 – Dettaglio del circuito di misura del ponte riportato in figura 3

L’idea che sta alla base della misura della resistenza è molto semplice: far scorrere una corrente attraverso il termistore e un resistore di precisione e misurare le tensioni ai capi di entrambi questi elementi: il rapporto tra queste tensioni è identico al rapporto delle resistenze. L’accuratezza è ovviamente direttamente correlata a quella del resistore di precisione, che di solito è un componente estremamente affidabile. Essa dipende anche dalla fedeltà con la quale è possibile acquisire le tensioni ai capi delle due resistenze.

Anche se può sembrare allettante l’idea di usare i canale di misura dell’ingresso differenziale per acquisire le tensioni di interesse, in questo caso non è necessario. È sufficiente misurare la tensione a ciascuna all’estremità di ciascun resistore utilizzando un canale di misura a terminazione singola (single ended). La sottrazione tra le due letture fornisce il valore della tensione ai capi del resistore. E’ noto che la sottrazione di due quantità quasi uguali può produrre alcune incertezze nel risultato, per cui è necessario assicurarsi che la risoluzione del convertitore non dia luogo a una perdita della precisione numerica. I risultati misurati sul front end in questa modalità indicano un valore RMS dell’ENOB (Equivalent Number of Bit) molto superiore a 16 bit.

Il principale vantaggio di questo metodo, che è una forma di campionamento CDS, è rappresentato dal fatto che qualsiasi errore statico o quasi-statico all’ingresso del canale di misura è annullato, anche se le misure sono eseguite in modalità single-ended. Il risultato quindi non è praticamente influenzato dall’offset del canale o dal rumore a bassa frequenza come nel caso delle misure tramite ponte. Si tratta di una tecnica che garantisce ottime prestazioni utilizzando un canale di misura single-ended. Essa dipende ancora dalla tensione di riferimento usata dal convertitore A/D, ma bisogna considerare che anche questo termine è diviso quando si effettua il rapporto tra le tensioni ai capi del termistore e del resistore di precisione.

Il risultato è una misura del rapporto di resistenze indipendente dal sistema. Questa può essere convertito via software in un valore di temperatura. Grazie ai tool disponibili per il SoC utilizzato in questo esempio, la conversione in temperatura è fatta da un componente software, incluso nel tool di sviluppo, che viene “trascinato” sullo schema circuitale e configurato in funzione del termistore utilizzato.

Nell’esempio preso in considerazione il convertitore A/D misura otto differenti tensioni del termistore e del circuito a ponte. Nell’intervallo tra le misure il firmware controlla i multiplexer analogici per selezionare la tensione successiva che deve essere misurata. Il convertitore A/D presente nel dispositivo PSoC 4200 prevede un blocco di post-elaborazione digitale utilizzato per fare la media di più conteggi del convertitore A/D al fine di garantire una risoluzione effettiva maggiore.

Fig. 5 – Dettaglio della misura del rapporto dei resistori riferito al circuito di figura 3

Questo processo di media non coinvolge la CPU la quale, nelle applicazioni dove i consumi rappresentano un elemento critico, può trascorrere la maggior parte del tempo in modalità “sleep”. Il convertitore A/D “sveglia” la CPU dopo ogni misura (compreso il processo di media). La CPU può quindi controllare i multiplexer per selezionare la tensione successiva, avviare la conversione del convertitore A/D e tornare in modalità “sleep”. Una volta completata la misura delle otto tensioni, il firmware può calcolare la deformazione del ponte e la temperatura.

Il SoC programmabile usato in questo esempio dispone di numerose opzioni di uscita per mostrare i risultati calcolati. Esso può fornire uscite analogiche utilizzando un iDAC, pilotare direttamente LCD a segmenti o comunicare i risultati attraverso interfacce I2C, UART, SPI o mediante qualsiasi protocollo custom implementa utilizzando la logica digitale programmabile.

Il campionamento CDS può garantire un livello di precisione elevatissimo nella misura di tensioni di uscita del trasduttore di valore molto ridotto, non conseguibile adottando microcontrollori a basso costo. Esso risulta particolarmente efficace quando è implementato utilizzando le funzionalità di routing dei SoC programmabili descritti in questo esempio. I sottosistemi di misura di semplice uso illustrate permettono di realizzare front end per sensori “smart” compatti, economici e ad alte prestazioni che possono essere liberamente personalizzati e introdotti in tempi brevi sul mercato.

Kendall Castor-Perry, Nidhin MS, Cypress Semiconductor

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