Circuiti di acquisizione ed elaborazione dei segnali – Parte 3

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MICROPOWER BATTERY VOLTAGE MONITOR

Non tutte le operazioni di acquisizione ed elaborazione di segnali sono complesse, tanto che alcuni dei blocchi architetturali riportati nella schematizzazione generale di Figura 1 (vedi Parte 1) potrebbero, in alcuni casi, essere del tutto assenti. Il caso della semplice misura e acquisizione del livello di carica (tensione) di una batteria ne è un esempio. Per implementare un’applicazione del genere è sufficiente utilizzare un ADC a soli 8 bit e con frequenze di campionamento anche modeste in considerazione della lenta variazione del segnale da acquisire. Ciò che è solitamente più importante, invece, in un’applicazione del genere, è garantire il ridotto assorbimento di potenza al fine di non perturbare il funzionamento stesso della batteria, la sua durata e il funzionamento del carico. L’LTC1096 (Figura 1) è un ADC non high speed (fmax=33 ksps) in grado di comunicare serialmente al processore il risultato della conversione.

Figura 7-Micropower Battery Voltage Monitor (segnale di ingresso: tensione compresa tra 0 e 5V) [1][7]

Figura 1: Micropower Battery Voltage Monitor (segnale di ingresso: tensione compresa tra 0 e 5V)

Lo stesso circuito può essere adattato e utilizzato per interfacciare batterie con tensione nominale differente (Figura 2) o per interfacciare sensori utili al rilevamento di grandezze fisiche come la temperatura o la corrente assorbita da un carico alimentato alla stessa batteria.

Figura 8-Micropower Battery Voltage Monitor (segnale di ingresso: tensione compresa tra 8 e 16V) [1][7]

Figura 2: Micropower Battery Voltage Monitor (segnale di ingresso: tensione compresa tra 8 e 16V)

BATTERY CURRENT MONITOR

In Figura 3 è mostrato come sia possibile implementare un circuito di misura di corrente assorbita da un carico (Battery Current Monitor). Il punto di partenza per la corretta implementazione e il corretto dimensionamento del circuito è ovviamente dato dalle caratteristiche di assorbimento del carico. Supporremo che esso assorba una corrente compresa tra 0 e 0,2A oppure tra 0 e 2A. Il circuito, come presentato in Figura 3, seppur limitatamente ad un solo canale di acquisizione, presenta nella sua composizione la maggior parte dei blocchi individuati nella schematizzazione generale di Figura 1 (vedi Parte 1). E’ opportuno per questo analizzarlo più in dettaglio. Esso è alimentato direttamente dalla stessa batteria da monitorare e non necessita di regolatori.

Figura 9-Circuito di misura di corrente (0A to 2A) a basso assorbimento. Si noti la resistenza di conversione corrente-tensione, lo stadio di amplificazione e filtro, l’ADC SAR seriale a 8 bit e le linee di uscita verso il processore, oltre allo stadio di riconoscimento e segnalazione di batteria scarica (Low Battery) [1][7][13].

Figura 3: Circuito di misura di corrente (0A to 2A) a basso assorbimento. Si noti la resistenza di conversione corrente-tensione, lo stadio di amplificazione e filtro, l’ADC SAR seriale a 8 bit e le linee di uscita verso il processore, oltre allo stadio di riconoscimento e segnalazione di batteria scarica (Low Battery)

In una situazione del genere, è quasi sempre opportuno che il circuito assorba potenze contenute in modo da non perturbare il normale funzionamento della batteria e del circuito principale da esso alimentato. I componenti da utilizzare devono per questo essere scelti adeguatamente; non a caso l’ADC SAR LTC1096 è classificato come micropower ADC (alla frequenza di campionamento di 1kHz assorbe una corrente di soli 3uA). In situazioni applicative di questo tipo, non è oltretutto necessario utilizzare ADC a elevata risoluzione, è sufficiente un comune ADC a 8 bit quale risulta l’LTC1096. La tecnica di misura impiega il classico trasduttore resistivo corrente-tensione. Affinché tale conversione avvenga efficientemente e il carico non risulti perturbato dal circuito di misura è necessario che la resistenza del trasduttore risulti molto piccola rispetto a quella del carico e che il trasduttore stesso sia in grado di sopportare la corrente stessa di carico. Il filtro attivo che segue lungo la catena di acquisizione amplifica opportunamente il segnale che all’origine è relativamente esiguo, in questo caso minore di 40 mV. L’amplificazione è fissata opportunamente e in questo caso è pari a circa -750/25=-30. Il segnale in ingresso all’ADC è quindi contenuto entro 1,2V (=40mVx30). Cosa analoga vale per la funzione di filtraggio che consente di eliminare rumore dal segnale prima che questo giunga amplificato in ingresso all’ADC. Si tratta di un filtraggio passa-basso con banda limitata anche a pochi hertz in considerazione del fatto che il segnale trattato è un segnale lentamente variabile. Il segnale condizionato così ottenuto, convertito in codice numerico dall’ADC può essere fornito serialmente al microprocessore preposto all’elaborazione.

Questo controlla lo stesso ADC attraverso le linee CS (Chip Select utilizzato come abilitazione) e CLK (Clock). Il consumo di circa 70uA è quasi interamente dovuto alla presenza dei due operazionali e del riferimento di tensione a diodo. Il secondo operazionale LTC1178 implementa un comparatore a trigger di Schmitt che fornisce uscita a livello alto quando la batteria si scarica. Il livello di tensione da comparare con quello del riferimento a diodo è ottenuto attraverso un partitore di tensione. Variando la composizione di questo è possibile definire opportunamente il valore di tensione della batteria ritenuta come di scarica. Si noti come 0,02ohmx2A=0,04V=40mV così come 0,2ohmx0,2A=0,04V=40mV. Si tratta di un valore che consente il corretto funzionamento in zona attiva diretta del transistor dello stadio di ingresso dell’operazionale. Tale valore (negativo) viene amplificato e invertito di segno dall’amplificatore invertente. Se tale valore fosse sufficientemente maggiore, non solo interferirebbe con il corretto funzionamento del carico ma non consentirebbe il corretto funzionamento dello stadio amplificatore poiché il transistor in ingresso si avvicinerebbe alla saturazione. Appare evidente come sia sempre necessario quindi e in generale adattare opportunamente il circuito di front-end al segnale da rilevare utilizzando il giusto sensore o trasduttore. Ciascuno stadio deve inoltre essere sempre adattato a quello che lo precede e a quello che lo segue in modo da non compromettere la trasmissione del segnale lungo la catena di acquisizione. I dimensionamenti dei diversi blocchi sono pertanto strettamente legati tra loro. Per esempio, l’LT1004 fornisce un riferimento di tensione pari ad 1,2V per l’ADC. Ciò definisce pertanto come pari a 1,2V il range della tensione analogica in ingresso. Non a caso, il filtro attivo presenta un segnale di uscita che varia nel range 0..1,2V.  Per maggiori dettagli si rimanda allo studio del funzionamento tipico di un ADC SAR.

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