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Elettronica per Sensori e Trasduttori. Il corso è articolato in lezioni teoriche ed esercitazioni di laboratorio. L’esame è sotto forma di colloquio orale con eventuale presentazione (facoltativa) di un progetto d’anno. Testi consigliati.
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Elettronica per Sensori e Trasduttori Il corso è articolato in lezioni teoriche ed esercitazioni di laboratorio. L’esame è sotto forma di colloquio orale con eventuale presentazione (facoltativa) di un progetto d’anno. Testi consigliati R. Pallas-Areny J.G. Webster: “Sensors and Signal Conditioning”. Jhon Wiley. 2001. C. Kitchin, L. Counts: “A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers”. Analog Devices. 2004 (www.analog-devices.com). W. Kester: “Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning”. Analog Devices. 1999. S. Franco “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”. Mac Graw Hill. 2002. Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
www.analog-devices.com : • “A Designer’s Guide toInstrumentationAmplifier” 2nd edition • “Low Cost, Miniature Isolation Amplifier AD202-204” • AN-539 “Errors and error budget analysis in Instrumentation Amplifier Application” www.ti.com : • “Trasforme Coupled ISOLATION AMPLIFIER” BB3656 • “Building the Analog Toolkit” 2001 www.national-semiconductor.com : • Temperature Sensors Handbook • “ABC of ADCs: Analog to Digital Coverter basics” www.linear-tecnology.com • Application Note 43: Bridge Circuits • Design Note: “Ultraprecise Instrumentation Amplifier Makes” www.maxim.com : • Application note 810: “Understanding flash ADCs” Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
I sistemi ingegneristici, per poter essere impiegati utilmente, devono interagire con il loro ambiente. Per far ciò, essi usano sensori ed attuatori. Sensori ed attuatori sono esempi di trasduttori. Un trasduttore è un dispositivo che converte una quantità fisica in un’altra. Es. microfono: suono >> segnale elettrico termometro a mercurio: temperatura >> spostamento In pratica, qualunque proprietà fisica di un materiale che cambia in risposta ad un’eccitazione può essere usata per produrre un sensore. Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
Esistono almeno sei tipi di segnali: • Meccanici • Termici • Magnetici • Elettrici • Chimici • Di radiazione (inclusa la luce) • Ogni dispositivo che converte segnali di un tipo in segnali di tipo diverso è un trasduttore. • I dispositivi che hanno un’uscita elettrica sono chiamati sensori. Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
VATAGGI DEI SENSORI • Si possono realizzare per tutte le grandezze non elettriche • Non assorbono energia apprezzabile dal processo oggetto di misura • E’ facile “condizionare” il segnale • E’ facile visualizzare e memorizzare il segnale • E’ facile trasmettere a distanza. Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
Elettronica per Sensori e Trasduttori Digital Controller AMP ADC DSP uC DAC AMP Plant SENSOR Process ACTUATOR Disegno tratto da una presentazione dell’ing. Carmelo Morello della Texas Instruments Italia Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
LEGEND Processor Interface Amplifier Logic Power ADC/DAC Other Input Output Low Pass Filter Peripheral driver V REF TEMP Relays, motor, etc. Buffer - Temp + V+ Clock DAC ±20mA,±10V out ΔΣADC MCU Pressure I / VDriver 4..20mA, 0..20mA out DAC ADC Current Driver 4...20mA, 0...20mA In DAC -10V..+10V, 0..10V out ADC MUX PGA Voltage Driver Optional Isolation Buffer Optional Isolation V REF Digital Out Level translation (& de-serialization) today: discrete Level translation Debounce (& serialization) Digital In Optional Fieldbus Interfaces Digital Isolators Core & I/O Power Support Logic CAN Other RS232/RS485 Core & I/O power +15V Isolated Power +5V Isolated Power 5V Low Noise Power (3.3V) DC/DC Converter -15V +15V Isolated Power -15V 24V Power Bus Disegno tratto da una presentazione dell’ing. Carmelo Morello della Texas Instruments Italia Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
Biomedical Physical Sensors • Design circuit to use Hg strain gauge to detect chest movement/respiration • Pacemaker • Airbag What application of a bladder pressure sensor can you think of? Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
L’elettronica di condizionamento deve realizzare le seguenti operazioni: • Amplificazione • Traslazione di livello • Linearizzazione • Compensazione • Filtraggio • Adattamento di impedenza • Isolamento galvanico • Modulazione /demodulazione Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
Isteresi Corrisponde alla massima differenza tra i due cammini di andata e di ritorno dell’uscita di un trasduttore durante il ciclo di calibrazione. E’ espressa in percentuale del fondo scala (% f.s.). Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
Semplice modello di strumento di misura Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
Condizionamento Il segnale in uscita al sensore, richiede di essere “condizionato”, affinché risulti più idoneo ad essere convertito in digitale, visualizzato, memorizzato, trasmesso. Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
L’elettronica di condizionamento deve realizzare le seguenti operazioni: • Amplificazione • Traslazione di livello • Linearizzazione • Compensazione • Filtraggio • Adattamento di impedenza • Isolamento galvanico • Modulazione /demodulazione Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
Per passare dal dominio analogico dei segnali prodotti dai sensori, a quello digitale usato normalmente per l’elaborazione, occorre fare una conversione A/D. Gli ADC hanno impedenza d’ingresso relativamente bassa e richiedono che i segnali abbiano ampiezza compresa fra i margini specificati, solitamente minori di ±10V. Per questa ragione, i segnali prodotti dai sensori, che hanno ampiezza nel campo dei millivolt (o meno) devono essere condizionati prima di poter essere applicati a un ADC. Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
