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Catena del segnale: nozioni di base

In questo secondo blog della serie di quattro blog che ha per tema le competenze richieste ai progettisti analogici verrà spiegata la funzione della catena del segnale analogico ed esaminate le specifiche dei componenti chiave.

Catena del segnale: nozioni di base

Figura 1 – Schema a blocchi della catena del segnale analogico

Molti dei dispositivi elettronici di uso quotidiano e sui quali facciamo affidamento molto semplicemente non funzionerebbero senza il ricorso ai segnali di ingresso reali sviluppati dai progettisti elettronici.

Catena del segnale analogico: una definizione
La catena del segnale analogico (Fig. 1) risulta composta da quattro elementi principali: sensori, amplificatori, filtri e convertitori dati (ADC). Essi sono utilizzati per rilevare, condizionare e convertire i segnali analogici nel formato digitale, adatto quindi per essere elaborato da un microcontrollore o da un altro sistema di controllo digitale.

Sensori
Il primo componente della catena del segnale analogico è il sensore (spesso denominato trasduttore) che rileva il segnale di ingresso e lo converte in energia elettrica, solitamente sotto forma di una corrente o una tensione di tipo analogico. I sensori operano sfruttando un'ampia gamma di principi fisici. Di seguito alcuni esempi tipici:

  • Temperatura – Termocoppie e RTD (Resistance Temperature Detector – termometri a resistenza)
  • Pressione – Estensimetri o membrane capacitive
  • Frequenza cardiaca – Elettrodi ECG
  • Luce – Fotoresistenze
  • Suono - Microfoni

Nel caso di sensori con un'uscita in tensione, la gamma di valori varia tipicamente da alcuni microVolt (uV) a parecchi milliVolt (mV), fatto questo che rende il segnale molto sensibile alle interferenze da parte di sorgenti di rumore elettrico indesiderato. Il rumore può provenire da parecchie direzioni e sorgenti, anche se in generale è classificato come interferenza elettromagnetica (EMI) o interferenza a radio frequenza (RFI). Per ovviare a questo problema, l'uscita del sensore è solitamente misurata sotto forma di differenza tra due terminali (misura differenziale) in modo che i segnali di rumore comuni a entrambi vengono eliminati.

Amplificatori
Il secondo componente della catena del segnale è l'amplificatore (differenziale), un circuito elettronico il cui compito è incrementare l'ampiezza dell'uscita del sensore di un fattore di scala A, (denominato guadagno), secondo l'equazione:

Voutput = A * Vinput

L'amplificatore è necessario perchè il segnale in uscita dal sensore è troppo piccolo per poter essere convertito nel formato digitale dal convertitore analogico/digitale (ADC - Analog-to-Digital Converter) nello stadio finale della catena. L'amplificatore in pratica incrementa l'ampiezza del segnale a un livello tale da poter essere letto in modo efficace dal convertitore A/D. La massima tensione di uscita che un amplificatore è in grado di produrre ha un valore molto prossimo a quello della tensione del suo alimentatore.

Un elemento da tenere in considerazione per la sua influenza sul progetto e sulla scelta dei componenti è il rapporto tra segnale e rumore (SNR - Signal-to-Noise Ratio). Misurato in decibel, l'SNR è il rapporto tra l'intensità del segnale e il rumore indesiderato. Un elevato valore (espresso in dB) del rapporto tra segnale e rumore è indice di un segnale “forte”, ovvero più resistente contro gli effetti del rumore.

In parecchie applicazioni si ricorre a un amplificatore a guadagno programmabile (PGA – Programmable Gain Amplifier) in abbinamento a un circuito di controllo automatico del guadagno (AGC – Automatic Gain Control) per aumentare o diminuire in maniera dinamica il guadagno dell'amplificatore se l'ampiezza del segnale del sensore esce dall'intervallo previsto (a causa di fattori ambientali o per altri motivi). Nel caso in cui il segnale del sensore assuma un valore troppo elevato, l'amplificatore potrebbe andare in saturazione – per cui tenterà di produrre un segnale di uscita più elevato di quello che sarebbe fisicamente possibile.

Filtri
Una volta amplificato, il segnale del sensore passa attraverso un circuito di filtraggio analogico per rimuovere eventuali componenti di frequenza indesiderati. Le tre principali categorie di circuiti di filtraggio analogici sono le seguenti:

  • Filtro passa-basso (rimuove i segnali ad alta frequenza)
  • Filtro passa-alto (rimuove i segnali a bassa frequenza)
  • Filtro passa-banda (consente il passaggio di segnali all'interno di un intervallo di frequenze definito)

Come visibile in figura 2, i circuiti di filtraggio sono realizzati utilizzando una combinazione di condensatori, resistori e un amplificatore operazionale.


Catena del segnale: nozioni di base
Figura 2 – Esempio di filtro passa-basso che utilizza un amplificatore operazionale

Le principali specifiche di un filtro sono le seguenti:

  • Ampiezza di banda del filtro: descrive l'intervallo di frequenze che può passare attraverso il circuito senza alcuna riduzione in ampiezza (attenuazione); la frequenza di taglio (corner frequency) a -3 dB rappresenta il valore di frequenza in corrispondenza del quale la potenza del segnale di uscita si dimezza rispetto alla potenza del segnale in ingresso.


  • ‘Roll-Off’: descrive la velocità di attenuazione, ovvero la rapidità con la quale il filtro discrimina i componenti di frequenza indesiderati in ingresso, ed è espresso in decibel/decade. I filtri caratterizzati da un roll-off più veloce richiedono un numero maggiore di componenti, con conseguente incremento di complessità e costi.


  • ‘Fase’: si riferisce al ritardo relativo tra i segnali di ingresso e di uscita ed è un parametro importante nel caso la catena del segnale preveda un anello di retroazione, in quanto può influenzare la stabilità dell'anello stesso.

Convertitori analogici/digitali (ADC)
L'ultimo componente della catena posizionato tra i segnali analogici e quelli digitali e il convertitore analogico/digitale. Per produrre una rappresentazione digitale accurata del segnale analogico, un convertitore A/D deve effettuare il campionamento a una frequenza maggiore del doppio della componente di frequenza più elevata del segnale (che prende il nome di frequenza di Nyquist). Questa operazione viene effettuata utilizzando un circuito S/H (Sample and Hold) che misura su base periodica la tensione di ingresso analogica e mantiene costante questo valore per un tempo sufficiente affinché il convertitore A/D possa eseguire la conversione, prima di passare al campione successivo.

La fase seguente del processo di conversione è la quantizzazione, dove la tensione campionata viene confrontata con un numero fisso di valori discreti, ciascuno dei quali rappresentato da un codice digitale univoco. Un convertitore A/D a 4 bit ha a disposizione 16 (24) livelli discreti per rappresentare un campione. I convertitori A/D con un numero maggiore di bit hanno una risoluzione migliore (ovvero un'accuratezza più elevata) poiché utilizzano più valori discreti: la risoluzione raddoppia per ogni bit che viene aggiunto. Le più comuni architetture di convertitori A/D sono le seguenti:

  • SAR (Successive Approximation Register)
  • Sigma Delta
  • Flash
  • Pipelined

Considerazioni conclusive
La catena del segnale analogico è composta da una serie di circuiti necessari per rilevare, condizionare e convertire in maniera accurata i segnali analogici nel formato digitale. L'industria elettronica non può fare a meno di ingegneri elettronici con le necessarie competenze ed esperienza nella progettazione analogica per realizzare prodotti in grado di assicurare prestazioni valide ed affidabili.

Continuate a seguirci nel nostro prossimo blog dal titolo: “Tool e risorse per la progettazione analogica”.

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