Unità 15 - Segnali ed elettronica analogica

Alcuni degli argomenti di questa unità sono stati trattati precedentemente nel testo o negli appunti. In questi casi, per evitare ripetizioni, si farà riferimento alla sezione corrispondente.

Abbiamo già dato la definizione di segnale come di una grandezza elettrica che rappresenta un'informazione. Distinguiamo tra segnali:

• analogici, che possono assumere infiniti valori compresi in un intervallo
• digitali, che sono assumere un numero noto e prefissato di valori

I segnali digitali sono discreti (tra due valori successivi non ce n'è uno intermedio) mentre quelli analogici sono continui (tra due valori ce ne sono infiniti intermedi). Le grandezze fisiche con cui abbiamo a che fare in natura sono analogiche mentre l'elettronica utilizza prevalentemente - ma non solo - segnali digitali; per passare da un tipo di segnale all'altro sarà necessario utilizzare un convertitore analogico-digitale o digitale-analogico.

La grandezza elettrica utilizzata per rappresentare i segnali digitali - solitamente la tensione - può assumere solo due valori: alto e basso, rappresentati dai valori logici 1 e 0. Un segnale binario di questo tipo può essere utilizzato solo per rappresentare informazioni caratterizzate da due stati (ad esempio acceso/spento, vero/falso). In tutti gli altri casi è necessario codificare le informazioni, cioè rappresentare con una sequenza di valori logici 0 e 1.

Tra le varie forme d'onda che può avere un segnale analogico quella sinusoidale¹⁾ è la più importante. Infatti, applicando il teorema di Fourier, è possibile rappresentare qualunque altro tipo di segnale con una somma di sinusoidi di frequenza multipla di quella del segnale di partenza dette armoniche. La figura 3 ad esempio mostra come un'onda quadra possa essere approssimata sommando tante sinusoidi. Le armoniche sono le componenti del segnale alle varie frequenza (si pensi ad esempio alla regolazione di bassi e alti nell'audio) e permettono di studiare un segnale nel dominio della frequenza. La figura 4 mostra lo spettro di un segnale: una rappresentazione grafica che mette in evidenza l'ampiezza delle armoniche di un segnale alle varie frequenze²⁾.

Un sensore (o trasduttore) è un dispositivo che converte una grandezza fisica in un segnale elettrico. Il segnale generato da un sensore viene:

• condizionato, cioè amplificato, filtrato (ripulito dai disturbi) e adattato al dispositivo che lo utilizzerà (ad esempio in modo che abbia un range di valori ben preciso)
• acquisito ed elaborato da un dispositivo elettronico

Esistono varie tipologie di trasduttori. Il modo più semplice di classificarli è in base alla grandezza acquisita.

Il suono è una variazione della pressione dell'aria che si trasmette nell'ambiente; i segnali udibili dall'uomo hanno frequenza che vanno da 20Hz a 20kHz. Il suono è acquisito da microfoni e riprodotto da diffusori o altoparlanti, apparecchi che sfruttano lo stesso fenomeno ma in maniera inversa (segnale → suono, suono → segnale). I più comuni sono:

• microfoni e altoparlanti induttivi (dinamici): funzionano grazie a una membrana fissata a una bobina posta attorno a un magnete; nel microfono il movimento della bobina genera una tensione indotta (figura 6a) mentre nell'altoparlante la corrente che circola nella bobina fa muovere la membrana producendo un suono (figura 6b)
• microfoni capacitivi: funzionano grazie a una membrana fissata a una delle due armature di un condensatore; il movimento della membrana produce una variazione di capacità da cui si ricava un segnale in tensione (figura 7c)
• microfoni e altoparlanti piezoelettrici: sfruttano l'effetto piezoelettrico già visto nell'unità 3 (figura 7a e 7b)

Questi sensori trasformano una velocità di rotazione in un segnale. Esempi di trasduttori di velocità sono:

• la dinamo tachimetrica: un motore in continua che, usato come generatore, presenta ai morsetti una tensione proporzionale alla velocità
• il trasduttore induttivo: un magnete con un avvolgimento è posto in corrispondenza dei denti di una ruota in ferro montata sull'albero; l'alternarsi di denti e spazi vuoti davanti al magnete genera una segnale impulsivo che rappresenta la velocità (figura 8)
• encoder incrementale: una ruota che presenta zone trasparenti e opache è posta tra un LED e un fotodiodo; l'alternarsi del raggio luminoso che incide sul fotodiodo produce un segnale impulsivo che rappresenta la velocità (figura 10a)

Misurano uno spostamento o una rotazione. I più comuni sono:

• i potenziometri (già visti nell'unità 6), dove la tensione è proporzionale alla posizione del cursore (figura 9a)
• encoder incrementali: che funzionano come gli encoder incrementali ma, utilizzando più coppie LED-fotodiodo, codificano la posizione con un codice digitale

Tra questi citiamo:

• i fotodiodi(vedi unità 6)
• i fotoresistori (vedi il corrispondente progetto con Arduino)

I più comuni sono:

• i sensori ad effetto Hall, che producono un segnale in tensione proporzionale al campo magnetico (figura 12)
• i sensori ad ampolla di Reed, che in presenza di un campo magnetico chiudono un contatto (figura 13)

Tra le varie tipologie di sensori di temperatura citiamo:

• le termoresistenze, che sfruttano la variazione della resistenza con la temperatura
• i componenti integrati a semiconduttore
• le termocoppie, che sfruttano l'effetto Seebek dei metalli

La forza e la pressione sono misurate sfruttando lo stesso tipo di trasduttore, che può funzionare grazie:

• all'effetto piezoelettrico
• alla variazione di resistenza dovuta alla deformazione di un conduttore
• alla variazione di resistenza di un componente a semiconduttore

I segnali provenienti dai sensori (o da un'antenna ricevente) sono molto deboli; per poterli utilizzare è necessario modificarli in modo da

• adattare il segnale al dispositivo che lo utilizzerà
• non alterare il contenuto del segnale, cioè le informazioni che rappresenta

L'elaborazione dei segnali di solito comprende:

• l'amplificazione, che consiste nell'aumentare l'ampiezza del segnale senza cambiarne la forma d'onda (da questa dipende infatti il contenuto del segnale); questa operazione viene svolta da componenti elettronici attivi dotati di una alimentazione propria che riproducono il segnale in ingresso senza alterarlo
• il filtraggio, che consiste nell'eliminare parte del contenuto in frequenza del segnale per metterne in risalto la parte più significativa (vedi la figura 23)
• la modulazione, che consiste nel trasmettere l'informazione del segnale in ingresso - detto modulante - attraverso la variazione di un parametro di un altro segnale - detto modulato - più adatto al trasporto delle informazioni; questa tecnica permette di
  • trasmettere le informazioni tramite onde radio
  • trasmettere più segnali attraverso lo stesso mezzo (si pensi alle stazioni radio)
  • pilotare attuatori con componenti elettronici di potenza che funzionano in commutazione (ON/OFF), come nella modulazione PWM (vedi figura 24)

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