Appunti di Elettronica ed Elettrotecnica - classe quinta

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====== 21D - Trasduttori e condizionamento dei segnali parte seconda ======

===== Premessa =====

Questa sezione fa parte dei contenuti online (auladigitale) scaricabili da [[http://www.rcseducation.it]](({{ ::sez_21d.pdf |qui}} una copia)) 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#sensori_di_temperatura_integrati|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.

{{:convvi.png|convertitore V/I con carico flottante}}

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.

{{:convvi2.png|convertitore V/I con carico collegato 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 ((esistono soluzioni più semplici ma meno precise che impiegano un filtro RC al posto dell'integratore attivo)) 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 v<sub>s</sub> negativa l'uscita dell'integratore invertente è una rampa crescente
  * quando la tensione v<sub>1</sub> supera V<sub>R</sub> il comparatore passa allo stato alto 
  * il fronte di salita di v<sub>2</sub> fa commutare il monostabile((in questo caso la commutazione è innescata da un fronte di salita invece che di discesa)) e la tensione v<sub>3</sub> resta al livello alto per un tempo t<sub>d</sub> costante imposto dai valori di R<sub>t</sub> e C<sub>t</sub>
  * il livello alto di v<sub>3</sub> fa chiudere l'interruttore SW che scarica il condensatore con una corrente costante I ((questa corrente deve essere sempre maggiore di quella proveniente dall'ingresso))
  * la tensione v<sub>1</sub> ai capi del condensatore fa una rampa decrescente (con pendenza diversa rispetto alla carica)
  * dopo il tempo t<sub>d</sub> l'interruttore v<sub>3</sub> 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 (v<sub>1</sub> e v<sub>o</sub>). Come si vede si ha a una fase di scarica di durata costante a corrente costante - quindi a carica Q = I⋅t<sub>d</sub> costante - e una di carica di durata variabile con corrente proporzionale alla tensione in ingresso V<sub>s</sub>. 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 V<sub>s</sub> 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 v<sub>s</sub> in ingresso viene squadrato dal comparatore
  * un fronte di salita in uscita al comparatore attiva il monostabile portandolo al livello alto per un tempo t<sub>d</sub> costante fissato da R<sub>t</sub> e C<sub>t</sub>
  * 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 t<sub>d</sub>
    * frequenza pari a quella di v<sub>s</sub>

In questo circuito l'integratore è usato come filtro passa basso ((la sua frequenza di taglio deve essere minore della minima frequenza di v<sub>s</sub>)) 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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