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sezione_21d

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sezione_21d [2017/04/29 15:32] (versione attuale)
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Linea 1: Linea 1:
 +====== 21D - Trasduttori e condizionamento dei segnali parte seconda ======
  
 +===== Premessa =====
 +
 +Questa sezione fa parte dei contenuti online (auladigitale) scaricabili da [[http://​www.rcseducation.it]] 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//.
 + 
 +===== Navigazione =====
 +
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sezione_21d.txt · Ultima modifica: 2017/04/29 15:32 da admin