IC di conversione dati

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La struttura di un blocco di acquisizione dati può essere visualizzata in figura 1. Il primo blocco è il trasduttore, per esempio un sensore di temperatura o campo magnetico. I segnali in uscita al trasduttore devono, di solito, essere condizionati in modo che il trasferimento dell’informazione possa avvenire con ben precise caratteristiche di linearità, precisione e immunità al rumore. Il blocco di condizionamento viene realizzato per mezzo di amplificatori e filtri. Successivamente, i segnali condizionati vengono inviati in convertitori analogico-digitali o convertitori A/D (ADC); essi forniscono una serie di dati digitali (bit) proporzionali ai valori del segnale analogico in ingresso.

Fig. 1 – Sistema di acquisizione dati

I parametri di valutazione per un ADC possono essere i seguenti:
• risoluzione in bit: essa è il numero di bit che il convertitore stesso è in grado di fornire in uscita;
• tempo di conversione: è il tempo che serve al convertitore per dare in uscita il risultato della conversione in digitale. Il tempo può variare da pochi μs per gli ADC economici fino a qualche ηs per gli ADC di tipo Flash;
• range del segnale di ingresso: intervallo di tensione o corrente che il convertitore è in grado di accettare.
Per rappresentare in forma digitale un segnale continuo nel tempo e nelle ampiezze è necessario (Fig. 2):
• campionare il segnale nel tempo;
• quantizzare le ampiezze dei campioni;
• codificare i valori quantizzati dei campioni (associare ad ogni livello un valore finito usandocifre binarie).

Fig. 2 – Processo di conversione dati

Il convertitore digitale-analogico (DAC), invece, è l’operazione inversa. Una larga diffusione dell’uso dei DAC si ha nei riproduttori digitali di suoni e nei controlli digitali in generale. I DAC possono essere suddivisi in due classi: paralleli (presentano n ingressi corrispondenti al valore da fornire in uscita) oppure seriali (il dato da rappresentare viene fornito da un microcontrollore attraverso un bus). Questi ultimi risultano più compatti e solitamente più comodi per la realizzazione del PCB. Le componenti principali di un convertitore Digitale-Analogico sono:
• una sezione di pre-elaborazione e filtraggio che agisce sul segnale digitale;
• un circuito elettronico di conversione che trasforma il segnale digitale in uno analogico;
• un circuito elettronico analogico che effettua la post-elaborazione e il filtraggio fornendo
• all’esterno un segnale di opportuna ampiezza.

Principali parametri per la valutazione di un DAC possono essere i seguenti:
• errore di Linearità: esprime la massima deviazione della curva di trasferimento reale da quella ideale;
• errore di offset: Nei convertitori ci sono amplificatori operazionali che sono affetti da tensioni di offset quindi la tensione di ingresso non partirà dal valore 0 ma un po’ prima o un po’ dopo;
• tempo di assestamento: tempo necessario affinché il segnale analogico d’uscita, dopo una data commutazione degli ingressi, si assesti e si mantenga in un determinato intorno del valore finale

Convertitori A/D
L’AD7687 (Fig. 3) è un ADC ad approssimazione successive 16-bit con ridistribuzione della carica, che opera con alimentazione singola, VDD, tra 2,3 V e 5,5 V. Lavora a bassa potenza, alta velocità con un orologio interno per la conversione dati e una versatile interfaccia seriale.
Il metodo di conversione ad approssimazioni successive (SAR) è sicuramente il più diffuso in quanto consente un buon compromesso fra velocità di conversione e risoluzione. Il sistema è costituito da: un sample & hold in ingresso, un comparatore, un DAC e un registro ad approssimazioni successive. Il tutto necessita di un clock per far scorrere i dati del registro e di una tensione di riferimento per il DAC.

Fig. 3 – AD7687, esempio di applicazione

Fig. 4 – ADC ad approssimazione successive

Un’altra tecnica di conversione dati è quella che fa uso di ADC Flash (Fig. 5). Questi convertitori, conosciuti come ADC paralleli, rappresentano il modo più veloce per convertire un segnale analogico. Sono adatti per applicazioni che richiedono larghezze di banda elevate. Tuttavia, consumano considerevolmente e hanno una risoluzione relativamente bassa.
Il funzionamento dell’ADC flash si basa sul confronto tra il valore campione da convertire e le tensioni presenti sui morsetti degli operazionali. In ogni comparatore è presente il valore di tensione da convertire: l’uscita sarà di valore alto o di valore basso a seconda della comparazione.

Fig. 5 – ADC Flash

Le uscite dei comparatori andranno, successivamente, in un encoder per fornire il codice binario. Per far in modo che i dati binario siano sincronizzati e quindi evitare disturbi (glitch) si inseriscono di solito dei latch per garantire un basso glitch. I convertitori ADC Flash monolitici più veloci sono costruiti utilizzando la tecnologia bipolare, attualmente superano 1Gsps. Alcuni esempi sono: MAX104/106 di Maxim Integrate. Il MAX104 (Fig. 6) è un ADC flash 8 bit 1Gsps che consente la digitalizzazione accurata di segnali analogici con larghezza di banda a 2.2 Ghz.

Fig. 6 – MAX104, diagramma a blocchi

Il MAX104 integra, inoltre, un potente amplificatore su un singolo chip. Il design innovativo e la presenza di un comparatore differenziale nonché circuiti di decodifica, riducono errori di codice per fornire eccellenti prestazioni. Il MAX104 limita la grandezza di errore a 1 LSB. L’ingresso analogico è progettato sia per essere differenziale che single-ended per un range di 250 mV di tensione.
Una metodologia generale, molto usata nella conversione A/D (e anche in D/A) è quella dell’oversampling. I convertitori Sigma Delta utilizzano il sovra campionamento per ottenere una elevata risoluzione; sono disponibili con risoluzioni tra 16-24 bit.

L’ADC della Analog Device AD7705 è un convertitore Sigma-Delta 16 bit per 2-3 canali che producono dati digitali seriali. Il segnale di ingresso opportunamente selezionato viene applicato ad una logica amplificatore programmabile basato su un modulatore analogico; l’uscita viene successivamente inviata ad un filtro digitale programmata tramite registri di controllo. L’AD77005 opera da 2.7 V fino a 3.3 V oppure da
4.75 V fino a 5.25 V come alimentazione; supporta ingressi analogici differenziali.

Convertitori D/A
Essenzialmente, vi sono due tipi di convertitori D/A:
• convertitore a resistori pesati;
• convertitore a scala R-2R.
Al fine poi di sfruttare i vantaggi di tali convertitori e minimizzarne gli svantaggi, vengono utilizzati anche i convertitori a scala mista e a scala invertita.
Il principio di funzionamento del convertitore a resistori pesati è quello di fare contribuire ogni bit della grandezza digitale con una corrente proporzionale al suo peso. Ciò si ottiene col circuito di figura 7.
Il convertitore R-2R (Fig. 8) risolve i problemi relativi al convertitore a resistori pesati; mentre il convertitore a resistori pesati si basa sul far contribuire ogni bit con una corrente proporzionale al suo peso, il convertitore R-2R si basa sul diversificare le correnti relative ai vari bit.

Fig. 7 – DAC a resistenze pesate

Fig. 8 – DAC R-2R

Vengono usati due soli valori di resistenza: R e 2R, in questo modo si possono ottenere tutte le resistenze necessarie con variazioni con la temperatura proporzionali fra di loro.
L’ampio portafoglio di Texas Instruments e Maxim Integrated comprende numerosi modelli di DAC ad alta velocità, da Msps a Gsps. Il DAC3484 di TI è un convertitore 4 channel con velocità di 1.25 Gsps dotato di oscillatore a controllo numerico a 32 bit. Il dispositivo offre un PLL 2x-32 a basso jitter, con compensazione per offset, guadagno, ritardo di gruppo e controllo fase. Il più veloce DAC a 8 canali di TI è il DAC8718, 16 bit bipolare; tempo di assestamento di 10 us. Supporta l’interfaccia SPI o parallela. Un altro integrato per la conversione dati da digitale ad analogico e il MAX5214 di Maxim Integrated esso è un DAC a 14 bit single channel, basso consumo; utilizza una precisione di riferimento esterno attraverso un’alta resistenza di ingresso. In figura 9 è riportato lo schema a blocchi di funzionamento.

Fig. 9 – MAX5214, schema a blocchi

Maurizio Di Paolo Emilio

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