Realizzazione di un sistema di acquisizione su piattaforma Windows

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Ci si propone di realizzare un misuratore di potenza basato su un convertitore A/D da 14-bit a campionamento simultaneo (MAX125). Questa apparecchiatura può essere utilizzata per misurare le caratteristiche d’ingresso e d’uscita di un convertitore dc/dc.
Il range di misura, per soddisfare le esigenze di diversi tipi di convertitore dc/dc (boost, buck e lineari) si estende fino a 30V, sia per l’ingresso che per l’uscita. Dato che, la maggior parte dei convertitori dc/dc funziona con frequenze di 100kHz o maggiori, la risposta in frequenza del sistema dovrebbe essere superiore a questa frequenza; una risposta più lenta è comunque accettabile visto che le forme d’onda sono ripetitive. La risoluzione di 14-bit del sistema non è di primaria importanza dato che, una misura entro lo 0.1% (10 bit) è perfettamente adeguata per la maggior parte delle applicazioni di misura della potenza.
Dopo la digitalizzazione il risultato viene trasferito attraverso l’interfaccia seriale RS-232 e visualizzato sullo schermo del PC, quest’ultimo viene aggiornato una volta al secondo (come per la maggior parte dei multimetri). Lo schema completo del circuito (Figura 1) verrà discusso a sezioni.

Front-end analogico

Un partitore resistivo di precisione permette la misura accurata di tensioni fino a 30V. Il componente ORNA10-1 di Vishay Thin Film è una rete resistiva che integra due resistenze da 1kW e due da 10kW. L’accuratezza ratiometrica dello 0.05% di queste quattro resistenze, fornisce una precisa frazione (1/11) della tensione applicata. L’ingresso, protetto da sovratensioni, del MAX125 permette la gestione di segnali con ampiezza fino a ±5V, in condizioni di sicurezza. Le correnti di ingresso e di uscita sono misurate utilizzando un amplificatore di corrente di precisione (MAX471). Questo dispositivo misura la tensione ai capi di una resistenza interna da 30mW e fornisce una corrente d’uscita con ampiezza di 500uA per ogni ampere che scorre sul lato alto. Quindi il valore della resistenza esterna determina la tensione d’uscita, in questo caso la risoluzione richiesta viene ottenuta con un valore di 4.7kW. Il circuito di protezione e l’ampio range d’ingresso del MAX125 danno luogo a un’impedenza d’ingresso più bassa di quella di dispositivi concorrenti, è quindi necessario inserire un buffer d’ingresso prima del ADC sui quattro segnali che devono essere letti. Questi stadi a guadagno unitario utilizzano l’amplificatore di precisione quadruplo MAX4254, il cui offset di tensione d’ingresso (70uV) è minore della risoluzione del sistema. Gli ingressi del MAX125 vengono pilotati attraverso il buffer principalmente per sopperire alla bassa impedenza degli stessi, è comunque buona norma pilotare l’ingresso del ADC con una sorgente a bassa impedenza anche quando il convertitore presenta un’impedenza d’ingresso elevata. Dato che, il circuito sample/hold è normalmente posizionato a destra dell’ingresso del ADC, il buffer deve essere in grado di caricare il condensatore del sample/hold in un tempo accettabile. Per avere un’idea di quanto bassa debba essere l’impedenza della sorgente, si può calcolare semplicemente la costante di tempo RC. La carica del condensatore d’ingresso è descritta dalla seguente equazione:

Vcap = Vin (1-e -t/CR),

dove C è il condensatore di campionamento, R è la resistenza della sorgente e Vin è la tensione applicata al circuito RC. La differenza in tensione tra Vin e Vcap è:

Vin – Vcap = Vin e-t/CR

Quindi, assegnati il valore del condensatore del sample/hold (normalmente 10-30pF), il tempo di carica del condensatore e la tensione di errore che può essere tollerata (1/2LSB), si può calcolare la resistenza massima ammissibile della sorgente, che caricherà il condensatore in un dato tempo. Il buffer d’ingresso può servire inoltre ad eliminare i segnali indesiderati. Dato che, il convertitore A/D è un sistema a campionamento, la sua uscita ha uno spettro simmetrico centrato circa a meta’ della frequenza di campionamento (fS). Quindi i segnali con frequenza maggiore di fS/2, non possono essere distinti da quelli che hanno una frequenza minore di fS/2. Ad esempio una frequenza di campionamento di 10kHz, non permette al convertitore A/D di distinguere tra un ingresso di 4kHz e 6kHz, in quanto entrambi sono simmetrici rispetto a fS/2 (5kHz). Questo effetto viene definito (aliasing) ed è descritto dal teorema di Nyquist. Queste frequenze indesiderate posso essere rimosse utilizzando un filtro “anti-aliasing”. L’effetto del aliasing può essere impercettibile se si considera lo spettro di frequenza di un qualsiasi segnale non completamente sinusoidale. Quest’ultimo per definizione contiene delle armoniche a frequenza più elevata, che traslate verso il basso producono degli errori alle frequenze più basse. Quindi se l’escursione in frequenza del segnale d’ingresso non è conosciuta è opportuno inserire un filtro anti-aliasing.
In questo esempio le letture sono spot e quindi i requisiti del filtro sono minimi. Per frequenze di campionamento più elevate può essere utilizzato un semplice filtro passa-basso, che utilizza i componenti C1, C2, C3, C4. Questi componenti permettono di fare una media delle letture ottenute dal convertitore A/D e rimuovono il ripple presente all’ingresso e all’uscita del dispositivo sotto esame.

Digitalizzazione

Il dispositivo MAX125 è un sistema di acquisizione dati a campionamento simultaneo con RAM interna. I quattro amplificatori sample/hold interni permettono di campionare simultaneamente quattro segnali, che vengono quindi digitalizzati sequenzialmente dal blocco ADC, dato che all’ingresso di ogni amplificatore sample/hold è presente un multiplexer 2:1 è possibile campionare simultaneamente due serie di quattro segnali. I risultati vengono memorizzati nella RAM e letti sequenzialmente sul bus parallelo dal processore. Il MAX125 integra anche un riferimento di tensione il cui SFDR (Spurious-Free Dynamic Range) è adatto per molte applicazioni DSP ad alta risoluzione. Al riferimento interno può essere sovrapposto un riferimento di sistema esterno. Il MAX125 è caratterizzato da buoni parametri di INL (deviazione massima del uscita del ADC rispetto a quella teorica) e DNL (deviazione dell’ampiezza del passo di quantizzazione reale rispetto a quello teorico) oltre che da una monotonicità a 13bit (codice d’uscita che aumenta o non cambia in risposta ad un aumento dell’ingresso analogico). L’uscita di interrupt del tipo push-pull, che indica il termine della conversione, permette un utilizzo efficiente del microprocessore. Il buffer interno permette l’utilizzo di un riferimento di tensione sia interno che esterno. L’ingresso del riferimento deve essere pilotato anch’esso da una sorgente a bassa impedenza.. Questo accorgimento deve essere applicato specialmente agli ADC del tip SAR (registro ad approssimazioni successive), in quanto il riferimento di tensione alimenta direttamente la scala R-2R del DAC. Una modifica del codice d’ingresso del DAC si traduce in un cambiamento dell’impedenza d’ingresso del riferimento, che modula la tensione di quest’ultimo. Il questo caso il buffer integrato elimina questo problema.

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