La digitalizzazione dei segnali analogici nei processi di misurazione

Questo articolo, oltre ad essere una panoramica sulla digitalizzazione dei segnali analogici, può essere considerato come una guida generale per progettisti, ingegneri e tecnici elettronici, una risorsa tecnica di riferimento per comprendere e migliorare la qualità delle misurazioni analogiche.

Introduzione

La digitalizzazione è il processo di conversione di un segnale elettrico, spesso proveniente da un sensore, in un segnale digitale che un computer può interpretare ed elaborare. La digitalizzazione è la funzione principale di un sistema di acquisizione dati (DAQ). Un sistema DAQ è costituito da sensori, hardware di misurazione DAQ e un computer (o microcontrollore) con software programmabile. Rispetto ai sistemi di misurazione tradizionali, i sistemi DAQ basati su computer sfruttano la potenza di elaborazione, la produttività, la visualizzazione e le capacità di connettività dei computer standard del settore, per fornire una soluzione di misurazione più potente, flessibile e conveniente. La misurazione di un fenomeno fisico, come la temperatura di una stanza, l'intensità di una sorgente luminosa o la forza applicata ad un oggetto, inizia con un sensore. Un sensore, chiamato anche trasduttore, converte un fenomeno fisico in un segnale elettrico misurabile.

A seconda del tipo di sensore, la sua uscita elettrica può essere una tensione, una corrente, una resistenza o un altro attributo elettrico che varia nel tempo. Alcuni sensori potrebbero richiedere componenti e circuiti aggiuntivi per produrre correttamente un segnale che possa essere letto in modo preciso e sicuro da un dispositivo DAQ. L'hardware DAQ funge da interfaccia tra un computer ed i segnali provenienti dal mondo esterno. Funziona principalmente come un dispositivo che traduce i segnali analogici in ingresso in modo che un computer possa interpretarli.

I tre componenti chiave di un dispositivo DAQ utilizzato per misurare un segnale sono:

• Il circuito di condizionamento del segnale
• Il convertitore analogico-digitale (ADC)
• Il bus del computer

Molti dispositivi DAQ includono altre funzioni per automatizzare i sistemi ed i processi di misurazione. Ad esempio, i convertitori digitale-analogico (DAC) emettono segnali analogici, le linee di I/O digitali immettono ed emettono segnali digitali, ed i contatori/timer misurano e generano impulsi digitali. Un computer con software configurabile controlla il funzionamento del dispositivo DAQ e viene utilizzato per elaborare, visualizzare e memorizzare i dati di misurazione. Diversi tipi di computer vengono utilizzati in diversi tipi di applicazioni. Un desktop può essere utilizzato in un laboratorio per la sua potenza di elaborazione, un notebook può essere utilizzato sul campo per la sua portabilità, oppure un computer industriale può essere utilizzato in uno stabilimento di produzione per la sua robustezza.

Hardware di digitalizzazione

Al livello più alto, quando si utilizza l'hardware di digitalizzazione, l'obiettivo è di configurare una misurazione di un dato segnale, sia nel tempo che nell'ampiezza. Il grado in cui è possibile ottenere ciò, dipende da una moltitudine di fattori e ogni scenario di misurazione è in qualche modo unico nei suoi requisiti. Quando si seleziona un dispositivo di digitalizzazione, è necessario comprendere la natura del segnale analogico che si sta digitalizzando, come descritto nei seguenti casi:

a. Il segnale è continuo o si prevedono discontinuità (ad esempio, cambiamenti di livello non ripetuti, grandi variazioni di frequenza, picchi, e così via). I segnali continui a frequenze moderate (spettro audio e inferiori), in cui il rumore può essere un problema, necessitano di un dispositivo DAQ basato su campionamento delta-sigma che implementi il sovra campionamento con filtri anti-aliasing. I segnali non continui o in rapida evoluzione possono richiedere una maggiore larghezza di banda istantanea ed una frequenza di campionamento più rapida di un dispositivo DAQ basato su campionamento SAR o Pipeline per una latenza inferiore.

b. L'ampiezza cambia rapidamente rispetto al tempo o cambia lentamente o addirittura è una tensione continua. I segnali in rapida evoluzione (ad alta frequenza) devono essere campionati ad una velocità sufficiente per evitare l'aliasing secondo il teorema di campionamento di Nyquist. I segnali a variazione lenta (bassa frequenza) potrebbero dover essere campionati lentamente per evitare un set di dati ingestibile.

c. I segnali rumorosi possono trarre vantaggio dal filtraggio e dalla media integrata per attenuare o eliminare completamente l'impatto sul segnale misurato. Una migliore comprensione delle fonti di rumore può anche aiutare a selezionare un dispositivo per ridurre al minimo l'impatto. È fondamentale comprendere il tipo di evento, se presente, che può attivare la digitalizzazione, un impulso digitale, un livello analogico, e così via.

d. La latenza, il tempo tra l'evento di attivazione e il primo campione digitalizzato, deve essere compresa e gestita di conseguenza. La selezione di un dispositivo con intervalli di input appropriati aiuta a massimizzare la risoluzione del segnale. Alcuni dispositivi offrono un intervallo dinamico più ampio per catturare segnali che possono variare in modo significativo nel corso di un periodo di misurazione.

Architetture di un dispositivo di digitalizzazione

Sebbene si possa scegliere tra molte architetture per digitalizzare segnali analogici in codici digitali, alcune sono di gran lunga le più comuni, come SAR (Successive-Approximation Register), Delta Sigma (Δ∑) e Pipeline. Ognuna ha vantaggi e svantaggi specifici, ma tutte svolgono fondamentalmente lo stesso compito: caratterizzare un segnale analogico con una rappresentazione digitale. L'architettura ADC che viene selezionata influisce sulla capacità di attivare una misurazione in base ad un evento. La latenza di ogni ADC è una misura del ritardo tra un evento di attivazione e la successiva misurazione valida.

SAR

Gli ADC SAR presentano una delle architetture più comuni utilizzate per l'acquisizione dati. Grazie al loro basso costo e alla loro implementazione relativamente semplice, è possibile incorporarli in soluzioni convenienti che offrono prestazioni eccezionali. In particolare, i dispositivi DAQ basati su SAR possono effettuare misurazioni con una latenza minima, il che significa che possono posizionare con precisione le misurazioni nel tempo. I segnali analogici vengono digitalizzati con dispositivi basati su SAR utilizzando un metodo come la ricerca binaria: si cattura e si confronta la tensione di ingresso con riferimenti progressivamente più piccoli fino ad ottenere una misurazione precisa (per approssimazioni successive). Inoltre, l'architettura SAR si presta bene all'inserimento di più ingressi nello stesso circuito ADC, ma a scapito della frequenza di campionamento per canale. Questo processo è chiamato “multiplexing”. Quando è necessario sincronizzare strettamente i canali adiacenti, è possibile utilizzare più ADC SAR su un singolo dispositivo DAQ per effettuare misurazioni simultanee.

Delta Sigma (Δ∑)

I dispositivi DAQ basati su Delta-Sigma hanno i vantaggi principali di basso rumore e rigetto degli alias con una risoluzione eccezionale, misurazioni precise, a discapito di una frequenza di campionamento effettiva inferiore, una larghezza di banda inferiore ed una latenza aumentata. Concettualmente, come la modulazione di larghezza di impulso (PWM), il modulatore Δ∑ trasforma la tensione di ingresso che s’intende misurare in un flusso di impulsi tra zero e una tensione di riferimento. Questo flusso di bit binario è sincronizzato ad una velocità molto più elevata (chiamata sovra campionamento) rispetto alla velocità desiderata della misurazione, in modo da poter filtrare e decimare blocchi del flusso di bit in una rappresentazione a risoluzione più elevata del segnale di ingresso originale.

L’approccio al sovra campionamento significa che la frequenza di Nyquist è ben al di sopra della massima frequenza del segnale di ingresso, il che, a sua volta, significa che gli alias di quel segnale sono ancora più elevati. Poiché il sovra campionamento fornisce una generosa quantità di spazio tra il segnale di interesse e la frequenza di Nyquist, il filtraggio diventa un compito più semplice. Applicando un filtro anti-aliasing con una frequenza di taglio inferiore alla frequenza di Nyquist, è possibile rigettare qualsiasi contenuto di frequenza più elevato nel segnale misurato, il che riduce la quantità di rumore e distorsione attorno al segnale di interesse.

Inoltre, il sovra campionamento aiuta a ridurre il rumore e ad aumentare la gamma dinamica di una misurazione distribuendo il rumore di quantizzazione sullo spettro di frequenza più ampio dei dati sovra campionati. Inerente al processo di conversione analogico-digitale, la quantizzazione è un fattore comune a tutte le forme di digitalizzazione. Durante il campionamento, il rumore di quantizzazione viene distribuito uniformemente sulla banda di frequenza di Nyquist di interesse.

La velocità di digitalizzazione aumentata dal fattore di sovra campionamento, spinge il rumore di quantizzazione verso frequenze più elevate. Poiché la banda di frequenza di interesse è al di sotto della frequenza di Nyquist, il rumore di quantizzazione è notevolmente ridotto rispetto al segnale misurato. Per questo motivo, gli ADC delta-sigma possono fornire rapporti segnale/rumore superiori con un range dinamico eccezionale. Gli ADC delta-sigma sono comunemente utilizzati in applicazioni con segnali continui per i quali sono richiesti basso rumore ed un range dinamico elevato, spesso abbinati ad un condizionamento del segnale aggiuntivo. Inoltre, questa architettura è comune ai multimetri digitali (DMM), che forniscono una risoluzione eccezionale a scapito di una bassa velocità di acquisizione.

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