condizionamento e conversione dei segnali Introduzione
• I segnali forniti dagli elementi sensibili di misura g g richiedono specifici trattamenti (condizionamento) prima del campionamento e della conversione in valori numerici • Il condizionamento è realizzato con circuiti analogici • Segnali provenienti dai sensori sono di tipo: – Analogico: rappresentano grandezze fisiche che variano con continuità nel tempo ti ità l t – Digitale: rappresentano lo stato di componenti, superamento di soglie, raggiungimento di fine corsa, ecc. superamento di soglie, raggiungimento di fine corsa, ecc. Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
condizionamento e conversione dei segnali Introduzione
• Anche i segnali di uscita dai dispositivi di controllo g p sono classificati in analogici e digitali g • Schema di un sistema di controllo digitale:
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condizionamento e conversione dei segnali Introduzione
• Bisogna separare il segnale dal rumore elettrico g p g – Dovuto in buona parte ai collegamenti tra l’elemento sensibile e i circuiti di condizionamento
• Sorgenti di rumore: – Interferenze dovute a circuiti adiacenti – Radiazioni elettromagnetiche di origine remota
• I rimedi riguardano: – Modalità di realizzazioni dei collegamenti – Caratteristiche elettriche dei segnali trasmessi – Cavi di trasmissione Cavi di trasmissione Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Generalità
• Campionamento: conversione di un segnale in una p g sequenza numerica che rappresentano i valori assunti dal segnale in un insieme discreto di istanti di tempo – Periodo di campionamento: intervallo di tempo tra due campioni successivi campioni successivi
• Teorema del campionamento (o di Shannon): un segnale continuo a banda limitata ωM è ricostruibile segnale continuo a banda limitata ω è ricostruibile in modo univoco dai suoi valori campionati se la pulsazione di campionamento ω p p gg S è maggiore di 2ω M Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Generalità
• Formula di interpolazione di Shannon: consente di p ricostruire il segnale continuo a partire dalla sequenza dei suoi campioni • Pulsazione di Nyquist: pari alla metà della pulsazione di campionamento ωN = ωS / 2 → fN = ωN / (2π) • Disturbi agenti sul processo e sulla strumentazione di misura → segnale a banda illimitata – Disturbi alla frequenza di rete e suoi multipli associati: • a emissioni elettromagnetiche di utilizzatori elettrici • ad anelli di massa ad anelli di massa Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Generalità
• Aliasing: il campionamento può causare la g p p trasposizione in bassa frequenza (nella banda di controllo) del rumore in alta frequenza (> fN) • Prefiltraggio: necessario per eliminare il rumore in alta frequenza prima di effettuare il campionamento • Forme di condizionamento: – – – –
Filtraggio: passa‐basso, passa‐banda e passa‐alto Messa in scala: Amplificazione ed attenuazione Adattamento di impedenza I l Isolamento galvanico t l i
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ingressi analogici Generalità
• Condizionamento attivo – Amplificazione e isolamento galvanico
• Condizionamento passivo p – Attenuazione, soppressione dei disturbi, conversione corrente‐tensione e filtraggio
• Conversione corrente‐tensione necessaria quando i segnali di ingresso giungono con l’anello di corrente (4÷20 A) (4÷20mA) usato per trasmissioni a distanza t t i i i di t • Schede di condizionamento vs. condizionamento sui trasmettitori (oggi prevalente) trasmettitori (oggi prevalente) Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Accoppiamenti e interferenze tra circuiti e segnali Accoppiamenti e interferenze tra circuiti e segnali
• Accoppiamento di due circuiti: generazione di pp g segnali elettrici indesiderati in un circuito da parte dell’altro – Accoppiamento condotto • Dovuto a comunanza di percorsi o tratti di percorsi di massa e di linee di collegamento linee di collegamento
– Accoppiamento capacitivo • Veicolato dalle capacità parassite tra i cavi dei circuiti
– Accoppiamento induttivo • Originato da una corrente elettrica che fluisce in un circuito e dal flusso magnetico generato che si concatena con l’altro circuito g g Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Accoppiamento condotto Accoppiamento condotto
• Accoppiamento condotto: si manifesta quando pp q correnti di due circuiti fluiscono attraverso una impedenza comune
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ingressi analogici Accoppiamento capacitivo Accoppiamento capacitivo
• Accoppiamento capacitivo: veicolata dalle capacità pp p p parassite tra parti prossime di circuiti distinti e massa p • Esempio: – C12: capacità parassita tra i conduttori 1 e 2 – C1G e C2G : capacità parassite tra i conduttori 1 e 2 e massa R R V2 ( s ) = V1 ≅ V1 = sC12 RV1 Z12 ( s ) + R Z12 ( s )
V1 tensione del conduttore 1
in ipotesi che in ipotesi che Z12 = 1 /( sC12 ) >> R
R resistenza verso massa del conduttore 2
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ingressi analogici Accoppiamento capacitivo Accoppiamento capacitivo
– Il rumore in tensione generato per accoppiamento capacitivo è proporzionale alla frequenza e all’ampiezza del segnale sorgente del disturbo, all’impedenza verso massa del conduttore ricevitore e alla capacità parassita massa del conduttore ricevitore e alla capacità parassita – Le capacità parassite verso massa determinano la saturazione con la frequenza del segnale sorgente V2 C 2G ≅ V1 C12 + C2G
nell’ipotesi che R >> 1 /(ω (C12 + C2G ))
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ingressi analogici Accoppiamento capacitivo Accoppiamento capacitivo
– Se il conduttore 2 fosse un circuito di acquisizione allora la sua l’impedenza di ingresso R non dovrà essere eccessivamente alta per ridurre gli effetti dei disturbi
• LLe capacità parassite si riducono fortemente (in ità it i id f t t (i modo non lineare) con la distanza • Per combattere gli effetti delle capacità parassite: Per combattere gli effetti delle capacità parassite: – Si devono allontanare i circuiti e/o – Schermare il circuito da proteggere (circondare i Schermare il circuito da proteggere (circondare i conduttori con una sottile lamina metallica)
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ingressi analogici Accoppiamento capacitivo Accoppiamento capacitivo
• Circuito schermato: – Se lo schermo circondasse completamente il conduttore 2, le capacità C l à C12 e C C2G si annullerebbero, sostituite dalle C1S, CSG e C2S – Anche per schermature parziali la capacita C12 verrebbe comunque drasticamente ridotta – Lo schermo deve essere posto a massa da un solo lato per evitare correnti indotte dalle d.d.p. tra le masse
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ingressi analogici Accoppiamento induttivo o elettromagnetico Accoppiamento induttivo o elettromagnetico
• Un circuito percorso da una corrente I p produce un 1p campo magnetico di induzione proporzionale alla corrente • Ad un circuito vicino si concatena un flusso magnetico dove M Φ12 = M12 I1 12 è la mutua induttanza tra i due circuiti • Se il flusso concatenato è variabile nel tempo sul circuito si induce una forza elettromotrice i i ii d f l i indesiderata (rumore) pari a Vd = − M12 dI1 / dt Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Accoppiamento induttivo o elettromagnetico Accoppiamento induttivo o elettromagnetico
• Se la corrente è sinusoidale I1 = A1 sin ωt la forza elettromotrice risulta Vd = − M12 A1ω cos ωt proporzionale alla frequenza • Per minimizzare gli effetti i i i li ff i dell’accoppiamento bisogna: – Allontanare Allontanare i circuiti i circuiti – Disporre i circuiti in modo da ridurre l’area della maglia p p costituita dal secondo circuito perpendicolare alle linee del campo generato dal primo Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Accoppiamento induttivo o elettromagnetico Accoppiamento induttivo o elettromagnetico
• Sorgenti di campi magnetici rilevanti e variabili a g p g frequenze elevate sono gli alimentatori di potenza – Modulazioni di tensioni switching o PWM a frequenze di decine di kHz
• Trasmissioni a distanza → cavi intrecciati (twistati) – Campo netto in ogni direzione è nullo per ogni periodo di treccia (2 incroci e 2 anse) se percorsi dalla stessa corrente
• La La schermatura non ha effetto sull schermatura non ha effetto sull’accoppiamento accoppiamento elettromagnetico – La lamina metallica (non ferromagnetica) non altera campi La lamina metallica (non ferromagnetica) non altera campi Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Cavi di collegamento Cavi di collegamento
• Cavi usati nelle applicazioni di controllo sono: pp – Cavi twistati – Cavi schermati – Cavi twistati e schermati
• Esempio a) – Cavo twistato per collegare una termocoppia ad un amplificatore di ad un amplificatore di isolamento, con schermo a massa ad una estremità Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Cavi di collegamento Cavi di collegamento
• Esempio p b)) – Doppino piatto schermato per la stessa applicazione del caso a) (soluzione poco usata)
• Esempio c) – Cavo coassiale, con calza esterna usata come filo di ritorno d l del segnale, per collegare un segnale di tensione e un l ll l di t i circuito di amplificazione non invertente • La corrente nella calza è uguale e opposta a quella nel conduttore centrale e ne annulla il campo magnetico generato all’esterno dello schermo, evitando emissioni elettromagnetiche • Cavo coassiale da preferire al doppino schermato e twistato per f>100kHz → poco usato nelle applicazioni di controllo Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Collegamenti di massa Collegamenti di massa
• I collegamenti di massa sono causa di g accoppiamento tra i circuiti che ne hanno parti in comune • Massa di segnale (signal ground): nodo di riferimento rispetto al quale vengono misurate le tensioni negli altri nodi del circuito • Le masse possono essere collegate a terra (earth ground): d) – Per non lasciare fluttuare il potenziale – Per ragioni di sicurezza Per ragioni di sicurezza Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Collegamenti di massa Collegamenti di massa
• Senza un collegamento diretto, la tensione tra la g , massa e la terra può raggiungere valori imprevedibili g • Il collegamento di sicurezza è necessario nelle apparecchiature in cui sono presenti tensioni pericolose per le persone in caso di contatto accidentale • Nei sistemi di acquisizione e controllo di processo si considerano almeno due masse id l d – La massa del campo (o dei sensori e degli attuatori) – La massa dei circuiti di acquisizione La massa dei circuiti di acquisizione Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Collegamenti di massa Collegamenti di massa
• Se entrambe le masse sono connesse localmente a terra, si forma un collegamento tra le masse stesse attraverso un percorso di terra – Collegando le masse per realizzare il percorso di ritorno del segnale, si realizza un anello chiuso (anello di massa o ground loop) – La terra non è equipotenziale → nell’anello di massa nasce una circolazione di corrente – Le differenze di potenziale di terra, in impianti di grande dimensione, possono essere di diverse decine di volt e possono variare nel tempo (attacco di motori ecc ) possono variare nel tempo (attacco di motori, ecc.) Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Amplificatori per il condizionamento Amplificatori per il condizionamento
• I convertitori A/D richiedono in ingresso tensioni di / g alto livello (∼V) – Segnali di basso livello (∼mV) vanno amplificati
• Amplificatori utilizzati nei sistemi di controllo: – Amplificatori operazionali – Amplificatori da strumentazione – Amplificatori d’isolamento
• Amplificatori operazionali sono impiegati in piccoli sistemi, con specifiche di prestazioni poco stringenti e in ambienti poco rumorosi e in ambienti poco rumorosi Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Amplificatori per il condizionamento Amplificatori per il condizionamento
• Amplificatori da strumentazione e gli amplificatori p g p d’isolamento sono impiegati in contesti rumorosi e per i quali sono richieste specifiche stringenti – Costi maggiori – Circuiti più complessi e di maggiori dimensioni
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ingressi analogici Collegamenti single ended e differenziali Collegamenti single‐ended e differenziali
• Schede di acquisizione dati sono in grado di acquisire q g q – n segnali differenziali → bifilari – 2n segnali single‐ended → monofilari
• Alcuni segnali sono intrinsecamente differenziali – Esempio: uscita di un ponte di Wheatstone
• Costo della trasmissione e del condizionamento dei segnali differenziali è circa il doppio di quella single‐ ended → conviene utilizzare una trasmissione single‐ ended quando è possibile Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Collegamenti single ended e differenziali Collegamenti single‐ended e differenziali
• Esempi di collegamenti differenziali e single‐ended: p g g
(b) DIFFERENZIALE con segnale floating
(a) SINGLE SINGLE-ENDED ENDED (c) DIFFERENZIALE con segnale a massa
Massa di campo con ritorno comune Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Collegamenti single ended e differenziali Collegamenti single‐ended e differenziali
• Le connessioni single‐ended sono fortemente g influenzate dalle differenze di potenziale tra le masse che si somma al segnale da acquisire • La differenza di potenziale tra le masse è dovuta a – Differenza di potenziale dei punti di terra a cui sono collegate localmente le masse – Correnti degli altri trasduttori – Correnti estranee sul percorso Correnti estranee sul percorso di ritorno comune
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ingressi analogici Collegamenti single ended e differenziali Collegamenti single‐ended e differenziali
• Le connessioni single‐ended sono utilizzabili quando g q la differenza di potenziale tra le masse è piccola rispetto al segnale da acquisire e alla risoluzione della catena di misura – In queste ipotesi non viene introdotto un errore di misura apprezzabile
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ingressi analogici Collegamenti single ended e differenziali Collegamenti single‐ended e differenziali
• Nelle connessioni differenziali la differenza di potenziale tra le masse compare come una tensione di modo comune (ecm) presente su entrambi i terminali dell’amplificatore
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ingressi analogici Collegamenti single ended e differenziali Collegamenti single‐ended e differenziali
• La tensione di modo comune (e ( cm)) in uscita ad un amplificatore differenziale compare divisa per il fattore CMRR (Common Mode Rejection Ratio): Vu = Gd (Vs + ecm / CMRR )
nelle ipotesi che Zin » R1, R2 e Zcm → ∞ • Esempio: Vs = 0.02V, ecm = 4V, CMRR = 80dB → errore 2%
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ingressi analogici Collegamenti single ended e differenziali Collegamenti single‐ended e differenziali
• Collegamento a massa dell’ingresso invertente g g dell’amplificatore per i collegamenti differenziali – È necessario per realizzare un percorso di ritorno a massa delle correnti di polarizzazione dell’amplificatore – In assenza di un apposito collegamento a massa, le correnti ritornano a massa attraverso le capacità parassite correnti ritornano a massa attraverso le capacità parassite → le capacità si possono caricare nel tempo → aumenta la tensione di modo comune → quando la tensione di modo comune raggiunge valori prossimi a quelli l ll dell’alimentazione l’amplificatore va in saturazione
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ingressi analogici Collegamenti single ended e differenziali Collegamenti single‐ended e differenziali
• In alcuni casi il collegamento a massa non è g praticabile → amplificatori di isolamento – Possono funzionare con la massa del circuito di ingresso flottante
• Esempio di percorsi di massa comune: acquisizione d ll delle misure di corrente di due motori i di t di d t i – Si rilevano le tensioni ai capi di due resistenze in capi di due resistenze in serie agli avvolgimenti di statore Appunti del corso di TSA – ing. vincenzo lippiello
ingressi analogici Collegamenti single ended e differenziali Collegamenti single‐ended e differenziali
– Le misure differenziali sono VAB e VAA’B’ B – Le misure single‐ended sono VAO e VA’O’ – A differenza di VAB, la tensione VAO dipende oltre che da I1, anche dalla d.d.p. sul percorso di ritorno dell’alimentazione – Nel collegamento differenziale le tensioni V Nel collegamento differenziale le tensioni VB e V e VB’ misurate misurate rispetto alla massa del sistema di acquisizione appaiono come tensioni di modo comune
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