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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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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