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Multiplexer

 
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Ipotizziamo di voler convertire più di un segnale analogico con un adc la domanda che sorge spontanea e come?

Una soluzione può essere quella di mettere un adc per ogni segnale,ma ciò comporta la costruzione di un circuito molto dispendioso e complesso.

L’alternativa a quest’idea è la multiplazione analogica o digitale:

Il multiplatore analogico (Amux) può essere visto come un commutatore unipolare a più vie,in cui il polo comune è connesso all’ingresso di un buffer con elevata impedenza d’ingresso e bassa impedenza d’uscita.

Multiplazione

 

           CT1            CT2              CS
             0              0              S0
             0              1              S1
             1              0              S2
             1              1              S3

 

Questo è un semplice esempio di Amux a 4 canali,dall’immagine si capisce che al suo interno è come se ci fosse un interruttore che sceglie a quale canale collegarsi,per controllare questo “selezionatore” utilizziamo 2 piedini dell’ Amux il piedino CT1 ed il piedino CT2 con i quali potremo scegliere da quale canale prendere il segnale,inoltre,possiamo utilizzare anche il pin ENABLE che ci permetterà di attivare o disattivare il nostro amux di solito con 1è attivato e con 0 è disattivato.

La struttura circuitale in cui si inserisce l’Amux può avere, essenzialmente, tre varianti:

1° soluzione prevede l’uso di un solo convertitore A/D avente in ingresso l’uscita dell’Amux. Dopodichè ci sarà un sistema di controllo che gestirà il tutto, anche il tempo con cui il multiplexer dovrà cambiare canale.

2° soluzione è uguale alla prima,ma si differenzia per una semplice aggiunta,perché tra l uscita dell’Amux e l’ingresso del convertitore A/D abbiamo un S/H,controllato anch’esso dal sistema di controllo che avrà il compito di farlo lavorare in sincronia con il multiplexer.

3° soluzione consiste nell’avere la configurazione una configurazione simile alla 1°, ma con qualche aggiunta, infatti, all’ingresso di ogni canale dell’ Amux sono collegati degli S/H controllati come al solito dal sistema di controllo. Questo metodo viene di solito impiegato in sistemi ad alta velocità quando è necessario campionare simultaneamente segnali in un determinato momento.

 

Il multiplatore digitale (Dmux). Con la diffusione dei convertitori A/D integrati a basso costo, e con l’esigenza di trattare segnali a frequenza elevata hanno determinato l’affermarsi della tecnica di multiplazione digitale, in cui ciascun canale analogico viene trattato da un proprio ADC. Le   uscite digitali dei vari convertitori vengono poi multiplate mediante un multiplatore digitale (Dmux) comandato dall’unità centrale e convogliate sul bus dati.

Codifica

 
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I dati digitali forniti dai convertitori A/D sono caratterizzati, oltre che dal numero di bit, anche da altri parametri, quali il codice, il formato ed i livelli di tensione.

Il codice più frequentemente utilizzato nella conversione di segnali unipolari(cioè o positivi o negativi) è il binario naturale espresso così:

es:adc a 4 bit

USCITA = N*23 + N*22 + N*21 + N*20

N potrà assumere solamente 2 valori o 1 o 0.

In questo modo avremo il valore binario 1111 che corrisponderà a 15 ed il valore binario 0001 che corrisponderà ad 1. Tuttavia il valore di tensione effettivamente corrispondente a questi numeri dipende dal fondo scala nominale fissato per il convertitore, se per esempio si fissa il valore di fondo scala a 10,24 V il livello di quantizzazione sarà uguale a 10,24/16=640 mV ed il valore corrispondente allo stato 1111 risulta 9,6 V.

La codifica binary-coded decimal (BCD) è un modo comunemente utilizzato in informatica ed elettronica per rappresentare le cifre decimali in codice binario, ed è di solito usata negli strumenti di misurazione.

Un altro tipo di codice è il codice Gray prevede che si passi da un intero al successivo modificando un solo bit; questa caratteristica (detta a cambio 1) semplifica e rende meno soggette ad errori le operazioni di dispositivi elettronici che devono scorrere informazioni organizzate in sequenze. Evidentemente la codifica di Gray risulta poco sensata per interi da sottoporre ad operazioni come somme o prodotti.

         Valore reale          BCD   8421          Binario Puro              GRAY
               1          0000   0001              0001              0001
               2          0000   0010              0010              0011
               3          0000   0011              0011              0010
               4          0000   0100              0100              0110
               5          0000   0101              0101              0111
               6          0000   0110               0110              0101
               7          0000   0111              0111              0100
               8          0000   1000              1000              1100
               9          0000   1001              1001              1101
               10          0001   0000              1010              1111
               11          0001   0001              1011              1110
               12          0001   0010              1100              1010
               13          0001   0011              1101              1011
               14          0001   0100              1110              1001
               15          0001   0101              1111              1000

Sample and Hold (prelevare e mantenere)

 
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A volte nei convertitori ci possono essere dei problemi nella fase di campionamento,soprattutto quando il segnale entrante varia più velocemente del tempo di campionamento del nostro adc, in tal caso alla sua uscita non avremo la conversione desiderata e per questo motivo è stato creato il Sample-Hold, un circuito composto da 2 amplificatori operazionali in configurazione di inseguitore (buffer), da un condensatore C e da una tensione di controllo Vc.

Sample hold

Il funzionamento di questo circuito si può dividere nelle due fasi di Vc:

  1. Quando Vc è a livello logico 1 (interruttore chiuso) il condensatore C si caricherà fino a raggiungere un valore di tensione pari a Va,inoltre il tempo di carica sarà molto ridotto perché l’unica resistenza in gioco è quella all’uscita dell’operazionale che ha un valore molto piccolo.
  2. Quando Vc è a livello logico 0 (interruttore aperto) il condensatore C si scaricherà all’ingresso del nostro convertitore.

Detto ciò possiamo definire il Sample Hold come un circuito di memorizzazione dati che permette all’adc di lavorare con i suoi tempi.Per sapere se utilizzare o no il circuito basterà verificare la seguente condizione:

 dV / dt   <= [ ( Vmax – Vmin ) / 2n ] * 1 / Tconv

freccia a sinistra freccia a destra

Conversione Analogico-Digitale

 
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Quando un segnale può assumere più valori di tensione(V) durante un periodo (T), esso è detto analogico, mentre un segnale che può assumere solamente 2 valori logici 0 ed 1 è detto digitale.

Esistono due tipi di convertitori :

  • Gli adc che ci permettono di convertire un segnale analogico in digitale.
  • I dac invece ci permettono di convertire un segnale digitale in analogico.

Un adc per funzionare correttamente deve svolgere questi 3 procedimenti:

  1. Campionamento
  2. Quantizzazione
  3. Codifica
Campionamento

La conversione consiste nel prelevare un campione dal segnale entrante, per poi convertirlo in un valore digitale, naturalmente l’uscita non cambierà di valore finchè non avremo in ingresso un nuovo campione da convertire. La frequenza con cui il segnale viene prelevato è detta frequenza di campionamento, più essa sarà elevata, e più sarà fedele il segnale d’uscita a quello entrante.

Questa Fc si può stabilire grazie al teorema si Shannon che enuncia:

dato un segnale a banda limitata, cioè avente una frequenza massima nota, è possibile campionare tale segnale e ricostruire da esso il segnale di partenza, senza alcuna distorsione, purchè la frequenza di campionamento sia almeno il doppio rispetto alla massima frequenza del segnale analogico.

Fc => 2Fmax

Se questa condizione però non viene rispettata Fc < 2Fmax, il metodo di ricostruzione del segnale perde la sua efficacia a causa delle sovrapposizioni che si creano nella ripetizione periodica del segnale trasformato, questa sovrapposizione tra segnali crea distorsioni irreversibili perché introduce nuove componenti non presenti nello spettro originale, rendendo impossibile la ricostruzione del segnale. Questo effetto è chiamato aliasing, e per poterlo eliminare viene messo prima del convertitore un filtro passa-basso che elimina le frequenze indesiderate.

campionamentofreccia a destra