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CIRCUITI DI MISURA DELLA TEMPERATURA

I circuiti possono essere utilizzati per acquisire, convertire e monitorare diversi tipi di segnali. Un caso tipico è quello della temperatura. Il circuito di Figura 1 mostra il chip LTC1092 (ADC seriale a 10 bit) utilizzato per la misura di temperatura mediante l’impiego di un termistore LM134. Ovviamente, la scelta del tipo di sensore da utilizzare dipende fortemente dal range di temperatura e dalle condizioni operative di impiego. Nello schema non è stato inserito alcun circuito di amplificazione e filtraggio del segnale, tuttavia, non è difficile modificare il circuito stesso introducendo uno stadio di guadagno e filtraggio passa-basso (modificando opportunamente e contestualmente anche il valore di tensione Vref) al fine di eliminare il rumore fuori banda. Il circuito assumerebbe un aspetto simile a quello già visto precedentemente. Spendiamo qualche ulteriore osservazione sul dimensionamento del circuito di Figura 1.

Figura 1: Misura di temperatura e conversione ADC seriale a 10 bit (range di misura: -55°C e 125°C)

Dal datasheet del componente LM134 si evince la relazione tra corrente e temperatura espressa in gradi kelvin. A 0°C per esempio corrispondono 273,15 °K e Vin=3,14V, a 30°C 303,15 °K e Vin=3,48V. Si tratta ovviamente di un valore superiore a Vin(-)=2,5V. Essendo Vref=2,5V (si noti il regolatore LT1019) si potrebbe teoricamente misurare una temperatura cui corrisponde una Vin(+) compresa tra 2,5V e 5V cioè una temperatura compresa tra -55°C e 161°C. In realtà, il limite sopportabile dal componente è 125°C per cui si conclude che il circuito consente di misurare temperature comprese tra -55°C e 125°C. Ovviamente, il chip è controllato da un processore che lo abilita attraverso il pin CS (Chip Select) e che scandisce, attraverso il pin SCLK (Shift CLocK), la generazione seriale dei 10 bit componenti il valore di tensione Vin digitalizzato. In Figura 2 è mostrato un altro circuito di misura della temperatura costruito intorno al chip LTC1094, un ADC SAR multiplexer a 8 canali analogici in ingresso e uscita in multiplexing a 10 bit seriale in grado di acquisire segnali single-ended o differenziali e di eseguire conversioni unipolari o bipolari.

Si distinguono rispettivamente: il pin chip select di abilitazione, gli otto canali analogici in ingresso, il pin di uscita digitale (formato seriale), la solita tensione di riferimento Vref, il segnale di clock per la sincronizzazione dei dati in uscita (SCLK-Shift CLocK) e il pin Din per l’acquisizione di dati seriali in ingresso. Questi, forniti dal processore, consentono di configurare il tipo di ingresso (differenziale o single ended), di uscita (unipolare o bipolare) e di selezionare il canale da cui acquisire il segnale da sottoporre a conversione A/D. Al di là della specifica applicazione, questo circuito è interessante perché costituisce, diversamente dai precedenti, un sistema multicanale di acquisizione in cui si riconosce l’architettura multiplexata schematizzata in Figura 1 (vedi Parte 1). Rispetto a tale architettura mancano i preamplificatori sui canali analogici di ingresso mentre il multiplexer è integrato all’interno dello stesso ADC, di cui si riporta, nella stessa Figura 2, lo schema a blocchi interno.

Figura 2: Circuito multicanale per la misura di temperature basato sull’ADC multiplexer LTC1094. Si noti la schematizzazione interna a blocchi dell’ADC

CIRCUITI DI ACQUISIZIONE OPTOISOLATI

Un aspetto tecnico e pratico importante e ricorrente, sia nell’interfacciamento di segnali che nel trasferimento degli stessi un volta digitalizzati, è quello dell’optoisolamento che consente di isolare tra loro, per motivi funzionali o di sicurezza, due apparati o sistemi che debbano scambiare informazioni. Il circuito di Figura 3 è simile per funzionalità ad altri visti nei precedenti paragrafi.

Figura 3: Circuito ADC optoisolato (Floating AD Conversion) alimentato tramite pompa di carica

La differenza sostanziale sta nell’introduzione dell’optoisolamento verso il processore. Dato il ridottissimo assorbimento di chip quali l’LTC1096, non è inusuale trovare come stadio di alimentazione una semplice pompa di carica. L’optoisolamento può essere inserito in maniera analoga in tutti i circuiti di acquisizione e conversione utilizzando di volta in volta il necessario numero di optoisolatori (Figura 4 e Figura 5).

Figura 4: Circuito di acquisizione ADC multicanale con optoisolamento verso la MCU

Figura 5: Opto-Isolated Temperature Monitor

Un’ultima osservazione è opportuno fare a riguardo di questo tipo di circuiti: generalmente avendo a che fare con ADC singolo canale o multicanale, è necessario disporre di opportuni riferimenti di tensione. In Figura 6 riportiamo alcuni di questi circuiti realizzati attraverso appositi chip.

Figura 6: Esempi di circuiti riferimento di tensione realizzati mediante l’impiego di appositi chip

CONCLUSIONI E APPROFONDIMENTI

In questo articolo abbiano descritto, nelle linee generali, cosa sia un circuito di acquisizione e quali siano i blocchi principali che lo compongono. Abbiamo anche mostrato alcuni circuiti che rientrano in questa categoria e che risultano impiegati abbastanza ricorrentemente nella pratica. Si tratta di circuiti realizzati principalmente attraverso l’impiego di componenti riportati all’interno delle numerose application note che gli stessi produttori mettono a disposizione di quanti impiegano la loro componentistica. I principi che sono alla base dell’implementazione di questi circuiti e di altri più o meno simili e più o meno complessi prescindono in ogni caso dagli specifici componenti. Analizzando application note di altri produttori di componenti e circuiti integrati è possibile trovare circuiti analoghi con funzionalità più o meno simili. In questo articolo abbiamo in sintesi evidenziato come: i circuiti di acquisizione dei segnali e di elaborazione degli stessi presentino una architettura generale ben precisa; la sezione di front-end è progettata in maniera specifica in base alle specifiche caratteristiche del segnale da acquisire e prevede spesso un blocco di precondizionamento dello stesso segnale; la parte digitale della catena di acquisizione quasi sempre prevede l’impiego di ADC per la digitalizzazione del segnale acquisito; nonostante ciò, è ricorrente l’impiego di ADC e DAC High Speed insieme per ottenere direttamente, per via circuitale, operazioni quali modulazioni, demodulazioni, shifting in frequenza, analisi spettrale.

Poiché le operazioni di acquisizione prevedono interfacciamenti di segnali, non è rara la necessità e l’opportunità di optoisolare la sorgente. La necessità espressa al punto precedente è abbastanza ricorrente anche nell’ambito della trasmissione dati. Ovviamente, non abbiamo inteso con questo articolo proporre una trattazione rigorosa della materia dell’acquisizione dei segnali. Ci siamo piuttosto limitati a semplici considerazioni pratiche di carattere generale e di approccio al problema. Un’acquisizione davvero approfondita e solida della materia necessiterebbe, oltre che di solide basi di elettronica applicata, di nozioni di analisi dei segnali sia nel dominio del tempo che della frequenza e dell’applicazione di queste, di volta in volta, a casi applicativi specifici. L’acquisizione e l’elaborazione dei segnali è infatti una materia che si avvale spesso di modelli matematici dei fenomeni sia nel dominio del tempo che della frequenza e di elaborazioni e algoritmi numerici anche complessi. Segnali particolarmente complessi sono per esempio le immagini che possono derivare dall’osservazione strumentale di fenomeni dei più disparati e dalla cui elaborazione possono essere estratte informazioni che caratterizzano il fenomeno stesso. L’elettronica analogica e digitale, DSP, controllori, firmware e software concorrono oggi tutti insieme a rendere la materia molto più evoluta di quanto non lo fosse appena due decenni fa. Fortunatamente, i produttori di semiconduttori mettono a disposizione application note spesso ben documentate su questo tipo di applicazioni. La conoscenza generale di questi circuiti e la capacità di modificarli all’occorrenza per adattarli alle proprie necessità è spesso sufficiente alla corretta integrazione di queste funzionalità anche in progetti di tipo professionale.

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