Circuiti di interfaccia
1
El. Ind. - 06/07
Opto-isolamento
• Non c’è connessione fisica
fra input e output.
• Il segnale di comando è
trasmesso otticamente.
• I dispositivi elettronici
impiegati sono LED e
fototransistor.
• Separano la parte di logica
per il controllo e la parte di
comando della potenza in
uscita.
El. Ind. - 06/07
2
Collegamenti fra dispositivi - 1
• Il segnale elaborato da un circuito deve poi essere
trasferito verso i circuiti da esso pilotati in modo da non
deteriorare l’informazione portata dal segnale medesimo.
• Ci sono molti problemi da affrontare:
– livelli di tensione: tra 2 circuiti che si scambiano il segnale,
possono esserci livelli di tensione sovrapposti al segnale stesso;
– trasferimento di potenza: requisito essenziale, specie negli stadi
iniziali di un sistema, ove il segnale stesso è assai debole e deve
subire la minima attenuazione nel passaggio tra 2 blocchi;
– disturbi: nel collegamento tra blocchi possono essere raccolti
disturbi, specie di natura elettromagnetica, che deteriorano la
qualità dell’informazione;
El. Ind. - 06/07
3
Collegamenti fra dispositivi - 2
– isolamento: spesso c’è l’esigenza di trasmettere il segnale tra
blocchi che siano tra loro isolati dal punto di vista galvanico, per
esigenze di sicurezza o necessità di protezione dei circuiti;
– velocità di elaborazione del segnale: se si devono trasferire
segnali fra circuiti con velocità di elaborazione molto diverse,
bisogna prevedere dispositivi di memoria per l’adattamento dei
tempi di lavoro.
• In particolare bisogna suddividerli in 2 casi: segnali
analogici o digitali.
El. Ind. - 06/07
4
Trasferimento di segnale analogico:
livelli di tensione
• Trasferimento di segnale fra 2 circuiti che lo elaborano:
possono esserci diversi livelli di tensione di riferimento
che i circuiti sovrappongono al segnale per poterlo
elaborare. Ad es. le componenti continue di
polarizzazione in ingresso e in uscita di un semplice
amplificatore ad uno stadio a BJT.
• Le soluzioni adottate per il passaggio del segnale da
livelli di continua diversi (disaccoppiamento) sono
essenzialmente di 2 tipi.
5
El. Ind. - 06/07
Disaccoppiamento
• Se il segnale ha frequenza minima superiore alla
continua: mediante collegamento a condensatore
(collegamento CR) in modo che il condensatore, posto in
serie sul percorso del segnale, costituisca una reattanza
minima per il segnale, ma blocchi le continue.
• Se il segnale ha banda di frequenza che comprende la
continua: mediante inserimento tra il circuito che
fornisce il segnale (sovrapposto ad un livello in continua
diverso) e quello che lo riceve (con un livello di continua
diverso) di un circuito traslatore di livello (level shifter)
capace di consentire l’adattamento dei 2 livelli di
continua ed il passaggio del segnale.
El. Ind. - 06/07
6
Level shifter
• Devono avere:
– elevata impedenza di
ingresso, per non caricare il
circuito che li pilota;
– bassa impedenza d’uscita, per
non sottrarre potenza al
circuito pilotato.
R1
VBO
R1
VBE
VBO
R2
R2
VEO
RE
VBE
RE1
RE2
• Inseguitore a BJT.
VEO
RS=res. gen.
R in = R B //[rπ + (1 + β )R E ]; R B = R1 // R 2
⎡ r + (R S // R B ) ⎤
R out = R E // ⎢ π
⎥;
β
1
+
⎣
⎦
VBO − VEO = VBE
VBO − VEO = VBE + RE1 I EQ
7
El. Ind. - 06/07
Traslatore ad OPAMP
•
•
La soluzione a
BJT è solo di
principio, poiché
produce una
diminuzione del Vd
livello di tensione
del segnale a
causa della
caduta sul
partitore.
Con OPAMP:
stesso problema
che può essere
risolto con un
generatore di
corrente costante.
El. Ind. - 06/07
+Vcc
+Vcc
Vd
DIFF
DIFF
VBE1
VBE1
RE1
RE1
RE2
VBE2
I
VEO
-Vee
VBE2
VEO
-Vee
8
Generatori di corrente costante - 1
• Widlar e specchio di corrente;
garantiscono IC2 costante,
controllata da IR. IC2<<IR.
I R = I C1 + I B1 + I B 2 ;
I B1 =
I C1
βF
; I B2 =
⎛
1
I R = I C1 ⎜⎜1 +
⎝ βF
IC 2
βF
IC1
IC2
IC1
IC2
R1
R1
;
⎞ IC 2
⎟⎟ +
;
⎠ βF
⎛
1 ⎞
⎟⎟ IC2 è piccola
I R ≈ I C1 ⎜⎜1 +
⎝ βF ⎠
• La grandezza di controllo è
largamente indipendente da
quella controllata.
T2
T1
T2
T1
R2
El. Ind. - 06/07
9
Generatori di corrente costante - 2
• IC2 dipende anche da altri parametri del circuito; si osservino le
basi dei BJT:
VBE1 = VBE 2 + VR 2 ⇒ VR 2 = VBE1 − VBE 2 ⇒ VR 2 = R2 ⋅ I E 2 ≈ R2 ⋅ I C 2 ⇒
VBE1 − VBE 2 = R2 ⋅ I C 2
V
⎛ V
⎞
I = I 0 ⎜⎜ e VT − 1⎟⎟ ≈ I 0 e VT
⎝
⎠
I
I
V
I
I
= ln ⇒ V = VT ln ⇒ VBE1 = VT ln B1 ;VBE 2 = VT ln B 2
VT
I0
I0
I0
I0
⎛ I
I
I ⎞
V
I
V
VT ⎜⎜ ln B1 − ln B 2 ⎟⎟ = R2 ⋅ I C 2 ⇒ R2 = T ⋅ ln B1 = T ⋅ ln C1
I0 ⎠
IC2
I B2 IC 2
IC2
⎝ I0
• I BJT sono identici, quindi hanno lo stesso β. Si ricava così il
valore di R2 per avere una determinata IC2 mediante una
corrente IR (legata a IC1).
El. Ind. - 06/07
10
Generatori di corrente costante - 3
• Si può far circolare in una maglia una corrente IC2 che è
in prefissato rapporto con una corrente di riferimento IR,
in modo tale che il rapporto fra le correnti dipenda
unicamente da R2.
• Specchio di corrente: quando IC1=IC2.
• Il rapporto tra le correnti non viene influenzato da
eventuali fluttuazioni, dovute a disturbi o segnali
sovrapposti a IC2; cioè agli effetti dinamici la maglia in
cui circola IC2 ha impedenza elevatissima.
• Tutte le relazioni valgono se β è elevato e uguale per
tutti i transistor. Se ciò non vale, si usano altre soluzioni
a + transistor.
El. Ind. - 06/07
11
Trasferimento di potenza - 1
• In genere, i segnali che provengono da circuiti di
condizionamento dei trasduttori dispongono di potenza
molto limitata.
• Peraltro, forti amplificazioni aumentano il livello di
potenza, ma deteriorano in qualche modo la qualità della
informazione (rumori e distorsione introdotti dai sistemi
amplificatori).
• Nel passaggio tra i circuiti di prelevamento a quelli di
elaborazione dei segnali si dovrebbe avere la minore
perdita di potenza possibile.
El. Ind. - 06/07
12
Trasferimento di potenza - 2
• Nel trasferimento di potenza tra quadripoli, si ha il
massimo trasferimento di potenza quando l’impedenza di
uscita del circuito che eroga il segnale è uguale in
modulo a quella di ingresso del circuito che lo riceve.
• Se: Zo=Ro+jXo (impedenza di uscita del quadripolo che
fornisce il segnale) e Zi=Ri+jXi (impedenza di ingresso
del quadripolo che riceve il segnale) ⇒ si ha il max
trasferimento di potenza se Ro=Ri e Xo=-Xi
• Questo vale per stadi intermedi. Stadi in ingresso e
uscita sono ottimizzati su altri parametri.
El. Ind. - 06/07
13
Trasferimento di potenza - 3
• Tra il trasduttore e lo stadio che riceve il segnale (blocco
di condizionamento) si privilegia il max trasferimento di
tensione, si fa cioè in modo che lo stadio che riceve il
segnale abbia impedenza molto elevata per non caricare
il trasduttore.
• Tra stadi finali e attuatore si cerca di evitare perdita di
potenza sulla resistenza di uscita rendendo l’impedenza
di uscita dello stadio finale pressoché nulla.
El. Ind. - 06/07
14
Alterazioni dell’informazione: disturbi
• Nel collegamento tra dispositivi, possono essere introdotti
segnali spuri che rappresentano disturbi dell’informazione
utile, oppure si possono avere alterazioni del segnale
causate da distorsioni o instabilità.
• Disturbi: sono tutti i segnali che si sovrappongono a quello
utile in modo tale da provocare un deterioramento del
rapporto segnale/disturbo S/N.
• Le cause dei disturbi sono:
– fenomeni elettromagnetici: lungo le linee di collegamento tra
dispositivi diversi, ai segnali utili possono sovrapporsi segnali spuri
a causa di accoppiamenti induttivi;
– loop di massa.
15
El. Ind. - 06/07
Loop di massa - 1
• Talvolta l’esigenza di effettuare collegamenti nel rispetto
della architettura imposta dai circuiti stampati porta a
compiere percorsi complessi con i conduttori di massa.
• Inoltre, i collegamenti di massa spesso si unificano e si
ramificano nel rispetto delle esigenze di collocazione dei
componenti sulla stessa scheda o si schede diverse.
• Se le correnti circolanti in tali conduttori di massa
divengono abbastanza elevate, non risulta più
trascurabile la pur bassa resistenza di questi.
• Insorgono nei diversi tratti delle cadute che determinano
delle ddp che possono essere in fase o in opposizione di
fase con il segnale.
El. Ind. - 06/07
16
Loop di massa - 2
• Una soluzione può essere quella di portare
separatamente ad un unico punto di massa tutti i
conduttori di riferimento delle varie parti del sistema, ma
non è sempre attuabile.
• Il formarsi di loop di massa porta all’insorgere di reazioni
positive o negative che divengono causa di disturbi o di
instabilità.
• Ci possono essere 2 situazioni:
– effetto della caduta di massa;
– effetto della resistenza dei conduttori.
El. Ind. - 06/07
17
Effetto della caduta di massa
• Ddp che si stabilisce fra 2
diversi punti, entrambi utilizzati
come riferimento comune da
un certo numero di parti
circuitali.
• Tra 2 punti di riferimento si
stabilisce una ddp spuria.
• Se il segnale deve passare da
uno dei blocchi circuitali
collegato al 1° riferimento ad
uno collegato al 2° si forma un
anello nel quale la ddp si
somma al segnale utile,
costituendo un disturbo.
El. Ind. - 06/07
18
Effetto della resistenza
dei conduttori di massa
•
•
•
•
Disturbo derivante dall’uso di un solo conduttore di massa da più elementi
circuitali.
Allorché su un unico conduttore di massa circolano correnti che provengono
da diverse parti circuitali, la resistenza del conduttore (anche se minima),
genera una caduta su conduttore medesimo.
A1 e A2 dovrebbero essere collegati in modo che il segnale di uscita del
primo Vu1 coincida con il segnale di ingresso del secondo Vi2 (Vu1=Vi2). In
realtà si ha Vi2=Vu1+RI.
I è la corrente complessiva che attraversa il conduttore di massa (di
resistenza R). RI è il segnale spurio.
19
El. Ind. - 06/07
Distorsione / attenuazione
• Nei collegamenti tra sistemi, si possono originare
distorsioni di frequenza o fase sul segnale, se questo ha
frequenza tale da rendere non trascurabili gli effetti dei
parametri distribuiti delle linee di collegamento.
• Insorgono problemi di distorsione dovuta ai parametri
reattivi distribuiti delle linee ad esempio nei collegamenti
tra unità logiche quando la velocità di trasmissione
diviene molto elevata.
El. Ind. - 06/07
20
Instabilità
• Si ha instabilità di un sistema quando si instaurano
fenomeni di reazione positiva che riporta verso l’ingresso
una parte del segnale di uscita, con fase tale da farlo
sommare al segnale presente sull’ingresso stesso.
• Nel collegamento tra circuiti elettronici possono
insorgere fenomeni indesiderati di reazione positiva, con
conseguente instabilità, per 3 cause fondamentali:
– accoppiamenti induttivi tra parti circuitali interessate dallo stesso
segnale;
– ritorni di segnale attraverso l’alimentazione comune;
– loop di massa.
21
El. Ind. - 06/07
Il loop di corrente
•
•
•
Su brevi e medie distanze si riescono a ridurre i disturbi di collegamento
trasformando il segnale di tensione in segnale di corrente.
Il collegamento a loop di corrente consente una buona immunizzazione ai disturbi,
specie sulle brevi e medie distanze che possono esservi tra un trasduttore e il sistema
che ne elabora il segnale, all’interno di un dispositivo o di una struttura industriale.
Impone un collegamento bipolare tale da formare una maglia chiusa tra il sistema
che fornisce il segnale la linea di trasmissione e il sistema che riceve il segnale.
Questo evita problemi di loop di massa o di resistenza non trascurabile del conduttore
comune in quanto non si ha, per il segnale, un conduttore accomunato ad altri.
4 20 mA
V/I
DAL
TRASDUTTORE
El. Ind. - 06/07
I/V
Vu
22
Il loop di corrente: vantaggi
• Funzione di trasferimento differenziale, quindi forte riduzione dei
segnali di modo comune che costituiscono la maggior parte dei
disturbi che alterano l’informazione lungo il collegamento.
• Prevede che si operi con bassa resistenza d’ingresso dell’apparato
ricevente; questo rende l’apparato + insensibile ai disturbi. In
effetti, un segnale spurio deve essere caratterizzato da un livello
non trascurabile di potenza per avere un effetto su un dispositivo a
bassa impedenza; è noto peraltro che i disturbi sono in genere
segnali con livelli di tensione apprezzabili, ma pressoché privi di
potenza.
23
El. Ind. - 06/07
Il loop di corrente 4-20 mA
• Collegamento in corrente di tipo analogico nel quale il
livello di tensione che caratterizza l’informazione da
trasmettere viene trasformato in una corrente che
riproduce l’informazione variando tra un livello minimo
pari a 4mA ad uno max di 20 mA.
• Impiego tipico nei collegamenti tra i trasduttori e i
relativi circuiti di utilizzo e di elaborazione del segnale
nell’ambito dei controlli industriali.
El. Ind. - 06/07
24
Il loop di corrente 4-20 mA:
schema a blocchi
•
•
•
•
Convertitore tensione/corrente.
Linea bipolare che porta la
corrente di segnale garantendo
allo stesso tempo che i disturbi
siano identici sui due conduttori,
in modo da risultare segnali di
modo comune eliminati in
reiezione grazie all’elevato CMRR
del ricevitore.
Ricevitore costituito da un
convertitore corrente/tensione.
I vari blocchi sono realizzati con
operazionali o con amplificatori
per strumentazione (buona
precisione ed elevato CMRR).
L’operatore deve solo fare alcune
operazioni di taratura.
•
•
Ad es.: quando la ddp di IN è
nulla il trasmettitore fornisce 4
mA. La taratura della max
corrente di uscita (20 mA) viene
effettuata regolando il guadagno
dell’amplificatore per
strumentazione tramite la
variazione della resistenza di
guadagno.
La taratura è funzione del tipo di
trasduttore impiegato.
25
El. Ind. - 06/07
Esempio
•
•
Schema di completo di un sistema
di rilevamento, condizionamento,
trasmissione e ricezione, che
impiega un trasduttore di
temperatura (termoresistenza) e
gli integrati.
L’utilizzatore deve solo realizzare
1/2 ponte di inserzione della
termoresistenza, perché può fare
uso delle sorgenti di corrente
interne messe a disposizione
dall’integrato per sostituire le altre
2 resistenze del ponte.
El. Ind. - 06/07
26
Trasferimento di segnali digitali
• I sistemi di collegamento visti sinora, se applicati ad
apparati in logica programmabile, o tra sistemi che si
scambiano dati binari, sono paralleli.
• Se due sistemi si devono scambiare un dato (costituito
ad es. da una parola ad 8 bit), il collegamento avviene
per mezzo di 8 conduttori.
• Non ci sono difficoltà se le parti che scambiano dati sono
sulla medesima scheda o comunque a distanza
ravvicinata; rappresenta un grosso problema quando le
distanze tra gli apparati sono dell’ordine di metri.
27
El. Ind. - 06/07
IEEE-488
• Gli standard per i collegamenti su piccole distanze tra un µP e una
unità I/O definiscono le caratteristiche cui deve adeguarsi ogni
sistema di collegamento parallelo per interfacciare dispositivi, anche
se realizzati da costruttori diversi.
• Il più diffuso: ANSI IEEE 488, oppure GP-IB, HP-IB, in particolare
nella applicazione di µP a dispositivi automatici di misura.
• E’ un interfaccia parallela tipo punto-multipunto atta al collegamento
di apparecchiature elettroniche.
• Lo standard indica le caratteristiche hardware del bus ed elenca una
serie di funzioni di interfaccia che i costruttori devono seguire nella
progettazione dei loro dispositivi affinché possano utilizzare tale
interfaccia.
El. Ind. - 06/07
28
Standard IEEE 488
• Vengono elencati tutti i comandi utilizzabili attraverso il
bus per il controllo del sistema di interfaccia e la
gestione della trasmissione dei dati.
• Lo standard IEEE 488 tratta solamente le funzioni di
interfaccia lasciando liberi i costruttori di implementare
le funzioni proprie dei dispositivi a loro discrezione
utilizzando un set di comandi per ognuno di essi.
• Lo standard è stato poi ampliato trattando i protocolli
per la comunicazione ad uso dei dispositivi e del
controller, specificando il formato della trasmissione sul
bus dei dati e cercando di uniformare la
programmazione dei dispositivi suggerendo il set di
comandi SCPI (Standard Commands for Programmable
Instruments).
29
El. Ind. - 06/07
GP-IB: connettore
•
•
•
•
Utilizza un connettore a 24 pin di tipo
Amphenol (serie Cinch 57 Microribbon).
16 pin per le linee di segnale (8 dati +
3 di handshake + 5 di controllo
dell’interfaccia e del bus).
8 pin per le linee di massa.
Le linee di handshake e di controllo
sono schermate dalle 8 linee di ritorno
a massa.
El. Ind. - 06/07
30
GP-IB: collegamenti
• Connettore ermafrodita, cioè
ogni estremità del cavo
presenta un connettore
maschio e uno femmina,
consentendo di collegare gli
strumenti in configurazione
lineare o a stella.
• Si possono inoltre installare più
schede GP-IB sullo stesso
calcolatore, ciascuna con un
certo numero di dispositivi
collegati.
31
El. Ind. - 06/07
GP-IB: vincoli
• Prestazioni: velocità di trasferimento dei dati sul bus.
• Lo standard IEEE 488 fornisce consigli sulla distanza fra
dispositivi e sulla lunghezza dei cavi:
–
–
–
–
distanza max di 4 metri tra un dispositivo e l’altro;
distanza media di 2 metri sull’intero bus;
lunghezza totale massima di 20 metri;
# max di dispositivi collegati al bus:15, di cui almeno 2/3
autoalimentati.
• L’interfaccia GP-IB utilizza livelli logici standard TTL in
logica negata:
– livello basso ≤ 0.8V (“1” logico);
– livello alto ≥ 2V (“0” logico).
El. Ind. - 06/07
32
Trasmissione parallela/seriale
• Le difficoltà principali della trasmissione parallela sono:
– esigenza di realizzare collegamenti con numerosi conduttori;
– impossibilità di usare come supporto linee bifilari esistenti (es.
linea telefonica);
– effetti di ritardo causati dai parametri della linea tra fronti d’onda
costituenti la medesima parola.
• Una soluzione per il collegamento su distanze medie o
lunghe è rappresentata dalla serializzazione che consiste
nella trasformazione della parola binaria in una
successione di bit distribuiti nel tempo e inviati su di una
linea bifilare.
33
El. Ind. - 06/07
Trasmissione seriale - 1
• E’ necessario trasformare il dato parallelo in seriale nella
trasmissione.
• Nella ricezione occorre riconvertire la successione di bit in parole
parallele.
El. Ind. - 06/07
34
Trasmissione seriale - 2
• Il parametro fondamentale è rappresentato dalla
“cadenza” temporale (ovvero la velocità) con la quale
vengono inviati sulla linea seriale (bifilare) i bit della
parola da trasmettere.
• Il parametro è il BAUD RATE e indica il # di bit inviati in
un secondo sulla linea di comunicazione seriale.
• Un altro modo è il bps (bit per secondo).
• I valori standard sono: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400,
4800, 9600, 19200.
• I più bassi per dispositivi lenti (telescriventi), quelli più
alti per sistemi di elaborazione dati.
35
El. Ind. - 06/07
Trasmissione seriale - 3
• Il BAUD RATE equivale alla frequenza di clock del
dispositivo che effettua la conversione parallelo/serie in
trasmissione, ovvero quello del dispositivo che effettua la
conversione opposta in ricezione.
• Ad es. una trasmissione con baud rate 2400 viene
pilotata con un clock a frequenza 2400 Hz.
• La trasmissione seriale impone che il dispositivo
trasmittente e quello ricevente siano esattamente
sincronizzati, per individuare la parola trasmessa.
El. Ind. - 06/07
36
Conversione parallelo/serie
• I metodi di conversione possono essere sincroni o
asincroni.
• Le conversioni parallelo/serie e inversa possono essere
realizzate in 3 modi:
– mediante dispositivi elettronici discreti;
– mediante circuiti integrati dedicati;
– mediante µP, via software.
• Anche in questo caso sono previsti degli standard:
– loop di corrente 20mA;
– RS232 (in 2 versioni B e C; C + usata).
37
El. Ind. - 06/07
Conversione parallelo/serie: standard
• EIA RS-422: garantisce buona
immunità ai disturbi raccolti
lungo la linea che è bifilare
intrecciata, e il sistema di
ricezione ha ingresso
differenziale.
• EIA RS-423: trasmettitore
single-ended e ricevitore
differenziale che consente l’uso
di conduttori coassiali a
impedenza caratteristica 50Ω.
Si può così aumentare la
lunghezza dei collegamenti
senza ridurre il baud rate.
El. Ind. - 06/07
IN
RX
+
TX
OUT
RS-422
IN
-
TX
CAVO
OUT
RX
+
RS-423
38
RS-232
•
•
•
•
Lo standard RS-232 è una
soluzione normalizzata EIA
(Electronic Industries Association)
per la trasmissione in modo seriale
tra un sistema in logica
programmata (CPU) e una
periferica (I/O).
La normalizzazione riguarda:
– tipo di connettore;
– livelli logici dei segnali;
– requisiti di collegamento.
Il connettore è di tipo D a
vaschetta (DB-25).
La funzione dei pin riportati in
figura deve essere rispettata da
tutti i costruttori che intendono
adeguarsi alla normalizzazione.
39
El. Ind. - 06/07
RS232: connettori
El. Ind. - 06/07
40
RS-232: livelli logici
•
•
•
•
Al fine di ridurre gli effetti dei rumori, specie per distanze di collegamento
superiori ai 10 metri, lo standard RS-232 prevede una modifica dei livelli di
tensione del segnale logico rispetto allo standard TTL.
La modifica dei livelli impone l’utilizzo dei traslatori di livello (circuiti
integrati dedicati).
Livello “0”: +3 ÷ +15V; valori tipici > 5V
Livello “1”: -3 ÷ -15V; valori tipici < -5V
41
El. Ind. - 06/07
RS-232: requisiti elettrici
•
•
•
•
Resistenza di carico della parte ricevente: 3kΩ < R < 7kΩ.
Capacità di ingresso della parte ricevente: C< 2500pF.
Massima velocità di trasmissione: 20Kbit/sec.
Per lunghezze superiori ai 15 metri occorre far ricorso a un sistema
di modulazione (modem) posto a ciascuna delle 2 estremità della
linea di collegamento.
El. Ind. - 06/07
42
Convertitore tensione/frequenza
• VFC (Volt to Frequency Converters).
• Sono piuttosto diffusi nell’acquisizione e trasmissione di
frequenza.
• Forniscono in uscita un treno di impulsi (o un’onda
quadra) di frequenza proporzionale al valore della
tensione applicata in ingresso.
• L’intervallo di frequenza si estende di solito da pochi Hz
a 10kHz, e per certi dispositivi da 0,1Hz a 100kHz.
43
El. Ind. - 06/07
Conversione AD mediante VFC - 1
•
•
Un segnale è prelevato direttamente dall’uscita di un trasduttore e viene
amplificato e convertito in un treno di impulsi dal convertitore V/F posto
nelle vicinanze del trasduttore stesso.
Gli impulsi vengono inviati su un comune doppino telefonico ad un
contatore a n bit che, abilitato a contare per un tempo prefissato T, alla fine
del conteggio presenta valori proporzionali al segnale fornito dal
trasduttore.
FVC
IN
VFC
Clock
El. Ind. - 06/07
CONTATORE
Uscite digitali
44
Conversione AD mediante VFC - 2
• Tecnica piuttosto lenta a causa dell’elevato valore dell’intervallo di
conteggio T richiesto per ottenere una buona risoluzione.
• Tuttavia, sia per il fatto che la conversione nei VFC è realizzata
mediante integrazione sia perché il segnale analogico è
sostanzialmente convertito in uno digitale modulato in frequenza, il
sistema offre un’alta immunità al rumore.
• Altra applicazione: il treno di impulsi viene inviato ad un convertitore
frequenza tensione (FVC) che fornisce in uscita una tensione
proporzionale alla frequenza degli impulsi di ingresso. Anche in
ambiente rumoroso, il segnale analogico può essere trasmesso
anche a distanze fino a 30 m, o anche fino ad alcune centinaia di
metri se si utilizzano appropriati adattatori di linea.
• Nel caso in cui siano presenti tensioni di modo comune rilevanti,
l’uscita del VFC può essere prelevata mediante opportuno
accoppiatore ottico, che trasferisce solo il segnale differenziale.
45
El. Ind. - 06/07
VFC: schema
Ic= { Ii
Ii-Io
+V
CB
C
Ii
Comparatore
Vo
Vi
-
R
+
VT
1
a1
0
0
Vcc1
Vcc2
Monostabile
b1
2
V
s
Q1
+
Integratore
-VREF
B
A
S
Io
El. Ind. - 06/07
46
VFC: funzionamento -1
• La maggior parte dei VFC si basa sulla tecnica del bilanciamento di
carica.
• Si supponga che il commutatore S sia sulla posizione A e che il
segnale di ingresso Vi sia costante e positivo.
• Il condensatore C viene così percorso da una corrente di carica
IC=Ii=Vi/R e l’uscita dell’integratore risulta essere una rampa
negativa:
vC = −
Vi
⋅t
RC
• Quando vC scende al di sotto di -Vref, il comparatore commuta,
portandosi a livello alto, e fa scattare il monostabile.
47
El. Ind. - 06/07
VFC: funzionamento -2
• L’impulso positivo generato dal monostabile, la cui durata TB
dipende da CB, satura Q1, mandando l’uscita Vo allo stato basso.
Lo stesso impulso commuta S nella posizione B.
• Durante l’intervallo TB il condensatore è interessato da una
corrente IC=Ii-Io.
• Il generatore di corrente costante è realizzato in modo che Io sia
sempre > della massima corrente applicabile, la corrente nel
condensatore si inverte; C si scarica con corrente costante
IC=Vi/R-Io e vC inizia a salire, facendo commutare il comparatore.
• Il monostabile rimane nel suo stato quasi stabile per un intervallo
TB fisso, durante il quale il condensatore continua a scaricarsi e vC
a salire.
El. Ind. - 06/07
48
VFC: funzionamento -3
Vi
• Al termine dell’intervallo TB, il
monostabile ritorna nello stato
stabile, con l’uscita a livello
basso.
• L’uscita Vo del convertitore si
porta allora al livello alto,
mentre il commutatore S viene
nuovamente posizionato su A.
• Ha così inizio una nuova
integrazione del segnale Vi.
• Forme d’onda relative a 2
valori di Vi: V1 e V2.
V2
V1
time
time
-Vref
VT
time
TB
VS
time
T1
T2
Vo
time
El. Ind. - 06/07
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VFC: funzionamento - 4
• Si consideri Vi=V1. La quantità di carica ∆QA immagazzinata dal
condensatore durante la carica e quella ∆QB sottratta durante la
scarica valgono, rispettivamente: ∆QA=IiTA;∆QB=(Ii-Io)TB.
• A regime, la rampa positiva e quella negativa di vC presentano
escursioni identiche, ossia la carica accumulata da C durante TA
viene restituita durante TB (bilanciamento di carica).
• Ponendo ∆QA = -∆QB, si ricava:
TA + TB =
El. Ind. - 06/07
Vi
I oTB RI oTB
1
=
⇒f =
=
Ii
Vi
TA + TB RI oTB
50
VFC: funzionamento - 5
• La frequenza del segnale di uscita è proporzionale a Vi.
• Gli altri parametri sono Io (caratteristica propria di ciascun tipo di
convertitore), R e CB (poiché CB influenza TB) che sono
generalmente componenti esterni.
• Il valore di C non influisce sulla frequenza, ma solo sull’ampiezza
delle escursioni di vC.
• Quando Vi aumenta passando al valore V2, essendo TB fisso,
l’escursione positiva di vC diminuisce la corrente di scarica del
condensatore; di conseguenza, quando S è in posizione A, la
tensione -Vref viene raggiunta in un tempo TA minore.
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El. Ind. - 06/07
Convertitore frequenza/tensione:
schema
vo
Vi
R
CB
C
Comparatore
+
VT
1
a1
0
0
Vcc1
Vcc2
Monostabile
b1
2
V
s
Q1
+
Integratore
-VREF
B
A
S
Io
El. Ind. - 06/07
52
FVC: funzionamento - 1
• Quasi tutti i VFC possono, con opportuna circuiteria esterna,
lavorare come FVC.
• L’ingresso del comparatore, invece di essere collegato all’uscita
dell’integratore, riceve il segnale Vi di frequenza variabile fi.
• L’uscita dell’integratore costituisce ora il terminale di uscita.
• Ogni volta che Vi scende al di sotto di -Vref, il comparatore commuta
a livello alto, pilotando il monostabile.
• L’impulso positivo del monostabile porta il commutatore S nella
posizione B e lo mantiene per un tempo TB pari alla durata
dell’impulso stesso.
• Durante TB il condensatore C dell’integratore tende a caricarsi per
effetto di Io.
• Alla fine dell’impulso del monostabile, il commutatore viene portato
in posizione A, cosicché il condensatore inizia a scaricarsi su R.
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El. Ind. - 06/07
FVC: funzionamento - 2
•
•
•
•
•
•
A regime, il valor medio della corrente iniettata nel condensatore è uguale
al valor medio della corrente di scarica, che ovviamente tramite R è
proporzionale al valor medio della tensione vo sul condensatore.
Pertanto, al variare della frequenza del segnale di ingresso, varia
proporzionalmente la corrente media iniettata in C e quindi il valor medio
della tensione di uscita.
Si noti che Vi deve presentare escursioni di ampiezza compatibile con la
tensione di riferimento -Vref.
Inoltre, l’ingresso non invertente del comparatore deve rimanere al di sotto
di -Vref per un tempo inferiore alla durata TB dell’impulso del monostabile.
Infatti, se dopo il tempo TB l’uscita del comparatore fosse ancora alta, si
potrebbe verificare un nuovo scatto del monostabile (errato).
Per evitare questi inconvenienti, il segnale di ingresso, dopo essere stato
eventualmente squadrato, viene applicato al FVC attraverso un circuito
derivatore.
El. Ind. - 06/07
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