Indice
21D - Trasduttori e condizionamento dei segnali parte seconda
Premessa
Questa sezione fa parte dei contenuti online (auladigitale) scaricabili da http://www.rcseducation.it1) e contiene integrazioni alla sezione 21A. Esamineremo solo alcuni argomenti dei paragrafi 2 e 3 per completare l'esame dei circuiti convertitori con operazionali.
2 Conversione tensione/corrente e corrente/tensione
Il paragrafo si apre con alcune considerazioni sull'opportunità di utilizzare segnali in corrente quando il trasduttore è lontano dal circuito di acquisizione già esposte nella sezione 21A.
Convertitori V/I
Il metodo più semplice per convertire una tensione in corrente - applicarla ai capi di una resistenza - non è praticabile perché il carico influenza il valore della corrente e la sorgente di segnale è caricata. Una soluzione con operazionale, come quella nella figura seguente, risolve entrambi i problemi ma richiede un carico flottante, cioè con nessuno dei due terminali a massa.
La corrente che percorre il carico è indipendente dal carico stesso e vale:
`i=v/R`
Il circuito seguente permette invece di collegare il carico a massa.
In questa configurazione le corrente che percorre il carico vale:
`i=v/R_1`
3 Conversioni tensione/frequenza e frequenza/tensione
La conversione tensione/frequenza (V/f) e frequenza/tensione (f/V) è particolarmente efficace nella trasmissione a distanza di segnali analogici per le sue caratteristiche di immunità ai disturbi e all'attenuazione. Il segnale in frequenza infatti presenta solo due livelli e disturbi ed attenuazione nella trasmissione possono modificano l'ampiezza ma non la frequenza del segnale. Un ulteriore vantaggio di questa tecnica è la facilità con cui è possibile trasformare il segnale in digitale, semplicemente contando gli impulsi del segnale in frequenza.
Conversione V/f
La figura 21 mostra lo schema di principio di un convertitore tensione/frequenza a bilanciamento di carica (ad esempio l'integrato LM331). Lo schema è piuttosto complesso 2) e comprende un integratore attivo, un comparatore e un multivibratore monostabile che comanda un generatore di corrente e un buffer invertente. Supponendo il segnale in ingresso costante e negativo e prelvando l'uscita dal buffer il principio di funzionamento è il seguente:
- con l'interruttore SW aperto e vs negativa l'uscita dell'integratore invertente è una rampa crescente
- quando la tensione v1 supera VR il comparatore passa allo stato alto
- il fronte di salita di v2 fa commutare il monostabile3) e la tensione v3 resta al livello alto per un tempo td costante imposto dai valori di Rt e Ct
- il livello alto di v3 fa chiudere l'interruttore SW che scarica il condensatore con una corrente costante I 4)
- la tensione v1 ai capi del condensatore fa una rampa decrescente (con pendenza diversa rispetto alla carica)
- dopo il tempo td l'interruttore v3 torna al livello basso e l'interruttore SW si apre
- il ciclo ricomincia con una nuova rampa crescente
La figura 21 aiuta a comprendere il ciclo di funzionamento mostrando l'andamento delle tensioni ai capi del condensatore e in uscita (v1 e vo). Come si vede si ha a una fase di scarica di durata costante a corrente costante - quindi a carica Q = I⋅td costante - e una di carica di durata variabile con corrente proporzionale alla tensione in ingresso Vs. In altre parole, ogni volta che si attiva il multivibratore una carica costante è sottratta al condensatore; la stessa quantità di carica viene poi ripristinata dall'ingresso ma con un valore di corrente che dipende da Vs e per un tempo variabile. Esprimendo analitacamente il bilancio tra le due cariche vale:
`-V_S/R(t_a + t_d)=-V_s/R cdot T = I cdot t_d`
dove la corrente dall'ingresso scorre sia durante la carica che la scarica e la somma dei due tempi è il periodo T. Allora:
`f= |V_s|/(R cdot I cdot t_d)`
Conversione f/V
Lo stesso circuito utilizzato per la conversione V/f può essere utilizzato per la conversione frequenza/tensione (f/V) ma con i componenti collegati in maniera leggermente diversa, come mostrato in figura 24. Il segnale in ingresso è applicato al comparatore e l'uscita è prelevata dall'integratore. Il principio di funzionamento è il seguente:
- il segnale vs in ingresso viene squadrato dal comparatore
- un fronte di salita in uscita al comparatore attiva il monostabile portandolo al livello alto per un tempo td costante fissato da Rt e Ct
- il livello alto del monostabile fa chiudere l'interruttore SW che collega il generatore di corrente costante all'integratore
- all'ingresso dell'integratore è presente un treno di impulsi in corrente con:
- ampiezza costante I
- durata costante td
- frequenza pari a quella di vs
In questo circuito l'integratore è usato come filtro passa basso 5) per prelevare il valore medio della corrente in ingresso. Osservando l'andamento della corrente di figura 24 si vede che il valore medio è:
`I_m=I t_d/T= I cdot t_d cdot f`
Allora, considerando che l'ingresso invertente dell'integratore è una massa virtuale, vale:
`V_(om)= -I_mR=-I t_d R cdot f`
Quindi la tensione è proporzionale alla frequenza f.
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1)
qui una copia
2)
esistono soluzioni più semplici ma meno precise che impiegano un filtro RC al posto dell'integratore attivo
3)
in questo caso la commutazione è innescata da un fronte di salita invece che di discesa
4)
questa corrente deve essere sempre maggiore di quella proveniente dall'ingresso
5)
la sua frequenza di taglio deve essere minore della minima frequenza di vs