Corso di Elettronica per Sensori e Trasduttori Elettronica per Sensori e Trasduttori R. Pallas-Areny...
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Corso di “Elettronica per Sensori e Trasduttori”
Elettronica per Sensori e Trasduttori
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.
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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www.analog-devices.com :•“A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifier” 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”
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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.
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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.
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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.
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Elettronica per Sensori e Trasduttori
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Plant
Digital Controller
SENSOR
DSPuC
DACADCAMP AMP
ACTUATORProcess
Disegno tratto da una presentazione dell’ing. Carmelo Morello della Texas Instruments Italia
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Low PassFilter
Temp +-
V+
Pressure
4..20mA, 0..20mA out
MCU
Current Driver
DAC
LEGEND
Power
OtherADC/DAC
Logic
ProcessorInterfaceAmplifier
DACVoltage Driver
-10V..+10V, 0..10V out
ΔΣADC
V REF
ADC
ADC
Digital In
4...20mA, 0...20mA In
DACI / V
Driver
±20mA,±10V out
24V Power Bus
IsolatedPower
Relays, motor, etc.
Clock
Peripheral driver
DC/DC Converter
IsolatedPower
Core & I/O Power
+5V
+15V
-15V
Low NoisePower (3.3V)
5V
Support Logic
Level translation (& de-serialization) today: discrete
Digital Out
Optional Fieldbus Interfaces
RS232/RS485
Digital Isolators
Other
CAN
Core & I/O power
Level translation Debounce (& serialization)
Buffer
V REF
IsolatedPower
Optional Isolation Buffer
+15V
-15V
M UX PGA
Input Output
Optional Isolation
TEMP
Disegno tratto da una presentazione dell’ing. Carmelo Morello della Texas Instruments Italia
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Biomedical Physical Sensors
• Pacemaker
• Airbag
• Design circuit to use Hg strain gauge to detect chest movement/respiration
What application of a bladder pressure sensor can you think of? 22
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L’elettronica di condizionamento deve realizzare le seguenti operazioni:
• Amplificazione• Traslazione di livello• Linearizzazione• Compensazione• Filtraggio• Adattamento di impedenza• Isolamento galvanico• Modulazione /demodulazione
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IsteresiCorrisponde alla massima differenza tra i due cammini di andata e di ritornodell’uscita di un trasduttore durante il ciclo di calibrazione. E’ espressa inpercentuale del fondo scala (% f.s.).
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Semplice modello di strumento di misura
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Condizionamento
Il segnale in uscita al sensore, richiede di essere “condizionato”, affinché risultipiù idoneo ad essere convertito in digitale, visualizzato, memorizzato, trasmesso.
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L’elettronica di condizionamento deve realizzare le seguenti operazioni:
• Amplificazione• Traslazione di livello• Linearizzazione• Compensazione• Filtraggio• Adattamento di impedenza• Isolamento galvanico• Modulazione /demodulazione
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Per passare dal dominio analogico dei segnali prodotti dai sensori, a quellodigitale usato normalmente per l’elaborazione, occorre fare una conversione A/D.
Gli ADC hanno impedenza d’ingresso relativamente bassa e richiedono che isegnali abbiano ampiezza compresa fra i margini specificati, solitamente minori di±10V. Per questa ragione, i segnali prodotti dai sensori, che hanno ampiezza nelcampo dei millivolt (o meno) devono essere condizionati prima di poter essereapplicati a un ADC.
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