Elettronica applicata/Condizionamento del segnale

Schema a blocchi di un sistema di conversione A/D/A

Circuiti di protezione

Clamp a diodi verso alimentazione

Diodi Zener verso massa

Il segnale proveniente dall'esterno è soggetto a cariche statiche, disturbi elettromagnetici, rumore, contatti accidentali, ecc. → i circuiti di protezione limitano la tensione in ingresso a valori compresi tra le tensioni di alimentazione in modo da non danneggiare i circuiti.

Tipi di circuiti di protezione

• clamp a diodi verso massa
• clamp a diodi verso alimentazione (limita la tensione tra $V_{AL+}$ e $V_{AL-}$)
• diodi Zener verso massa
• componenti specifici

Amplificatore di condizionamento

L'amplificatore di condizionamento adatta la massima dinamica $A$ del segnale di ingresso all'ampiezza di fondo scala $S$ del convertitore A/D, in modo da aumentare il più possibile il rapporto segnale-rumore ${\text{SNR}}_{q}$:

${\text{SNR}}_{q}$ al variare di $A$

Il segnale differenziale è più protetto da disturbi: alcuni trasduttori forniscono segnali differenziali, e convertitori A/D molto precisi/veloci operano direttamente su segnali differenziali → conviene usare degli amplificatori differenziali.

Sistemi e tecnologie elettroniche - A5. Circuiti con amplificatori operazionali ideali#Modo differenziale e modo comune

Amplificatore differenziale con inseguitori di tensione agli ingressi

Le resistenze interne ai generatori reali in ingresso, se non sono uguali tra loro, convertono una parte del segnale di modo comune in segnale differenziale, che viene così incorrettamente amplificato → è possibile anteporre all'amplificatore differenziale una coppia di inseguitori di tensione (o voltage follower) a guadagno unitario, che grazie alla loro resistenza di ingresso infinita (in realtà molto alta) trasferiscono tutte le tensioni dei generatori sul carico indipendentemente dalle resistenze interne.

Amplificatore da strumentazione

Conviene spostare il più possibile il guadagno dall'amplificatore operazionale a valle sugli inseguitori di tensione a monte, altrimenti lo stadio a valle oltre al segnale amplificherebbe anche l'errore intrinseco dello stadio iniziale:

$R_{7}=R_{5}\Rightarrow V_{u}={\frac {R_{3}}{R_{1}}}\left(V_{2}'-V_{1}'\right)=2{\frac {R_{3}}{R_{1}}}\left(V_{2}-V_{1}\right)\left({\frac {R_{5}}{R_{6}}}+1\right)$

Multiplexer

Schema a blocchi di un sistema di conversione A/D a più canali di ingresso

Multiplexer con elementi di non idealità

Il multiplexer è un banco di interruttori realizzato con transistori MOS: tramite un comando di selezione viene chiuso un solo interruttore per selezionare il canale di ingresso.

Elementi di non idealità

• resistenza equivalente $R_{\text{ON}}$ per l'interruttore chiuso → si può minimizzarne l'effetto ponendo in uscita un inseguitore di tensione con la sua resistenza di ingresso infinita;
• corrente di perdita $I_{\text{OFF}}$ per gli interruttori aperti;
• capacità parassita $C_{P}$, costituita dalle capacità parassite del multiplexer e del carico → ha un comportamento passa-basso limitando la banda del segnale trasferito.

Modulo di sample e hold

Analisi dell'andamento dell'uscita

Sequenza di stati di un modulo di sample e hold

Fasi

• 
  Inseguimento
• 
  Campionamento
• 
  Mantenimento
• 
  Acquisizione

• inseguimento (tracking): l'uscita è uguale all'ingresso, cioè il modulo di sample e hold diventa un amplificatore con guadagno unitario;
  • errori statici: guadagno, offset, nonlinearità;
  • errori dinamici: tempo di assetto, limiti di banda;
• campionamento (sampling): viene campionato il valore dell'ingresso da mantenere costante, anche se non avviene in maniera istantanea:
  • tempo di apertura $T_{a}$: tempo che trascorre dal comando di hold alla completa apertura dell'interruttore;
  • tempo di assetto: tempo in cui l'uscita scende, con una variazione di ampiezza chiamata piedestallo, a un valore più basso di quello campionato (con un'oscillazione del secondo ordine);
• mantenimento (hold): il valore campionato viene mantenuto costante durante la conversione A/D:
  • errore di decadimento: il valore dell'uscita diminuisce nel tempo;
  • errore di feedthrough: una minima parte delle variazioni dell'ingresso viene riportata sull'uscita a causa dell'imperfetto isolamento;
• acquisizione: l'uscita passa dal valore mantenuto al valore corrente dell'ingresso:
  • tempo di acquisizione: dipende dai limiti di banda e dallo slew rate.

Il tempo di apertura $T_{a}$ è affetto da un'indeterminazione nel tempo chiamata jitter di apertura (o di campionamento) $T_{j}$, che causa un errore in ampiezza pari a:

$\Delta V=T_{j}\cdot {\left.{\frac {dV}{dt}}\right|}_{\text{max}}$

dove ${\tfrac {dV}{dt}}$ è lo slew rate.

Analisi circuitale

Rappresentazione circuitale di un modulo di sample e hold

Il modulo di sample e hold è una memoria analogica composta da un interruttore (realizzato con transistori MOS) e da un condensatore di mantenimento (o di memoria) $C_{M}$:

• inseguimento: l'interruttore è chiuso (on), ed è riportata in uscita la tensione di ingresso $V_{i}$ mentre il condensatore si carica;
• mantenimento: l'interruttore è aperto (off), ed è riportata in uscita la tensione sul condensatore carico.

Errori

• errore di guadagno: dovuto alla partizione della tensione $V_{i}$ tra la resistenza interna del generatore $R_{g}$ e il carico $R_{L}$ mentre l'interruttore è chiuso;
• errore di decadimento: dovuto alla scarica del condensatore di mantenimento $C_{M}$ sul carico $R_{L}$ mentre l'interruttore è aperto:

→ per ridurre gli errori di guadagno e di decadimento conviene separare il carico dal condensatore $C_{M}$ con un inseguitore di tensione

• tempo di acquisizione: dovuto al comportamento passa-basso della cella formata dalla resistenza interna del generatore $R_{g}$ e dal condensatore di mantenimento $C_{M}$ alla chiusura dell'interruttore:

→ per ridurre il tempo di acquisizione conviene separare il generatore dal condensatore $C_{M}$ con un inseguitore di tensione

• errore di feedthrough: dovuto alla partizione della tensione $V_{i}$ tra la capacità parassita $C_{DS}$ dell'interruttore e la capacità di mantenimento $C_{M}$ mentre l'interruttore è aperto;
• tempo di assetto: dovuto alla partizione della tensione $V_{g}$ tra la capacità parassita $C_{GD}$ per effetto del segnale di comando S e la capacità di mantenimento $C_{M}$ all'apertura dell'interruttore:

→ per ridurre la parte di tensione di ingresso riportata in uscita e il piedestallo occorre aumentare la capacità di mantenimento $C_{M}$, anche se aumenta il tempo di acquisizione

Errore totale

Il rapporto segnale-rumore totale ${\text{SNR}}_{\text{totale}}$ di un sistema di conversione A/D dipende da vari errori, tra cui:

• errore di quantizzazione: legato al numero di bit del convertitore A/D;
• rumore di campionamento: dovuto alle sovrapposizioni degli spettri del segnale campionato;
• jitter di apertura: introdotto dal modulo di sample e hold in fase di campionamento;
• altri errori della catena di condizionamento (ad es. errore di guadagno degli amplificatori).