Acquisizione dati: il condizionamento dei segnali
Avete mai provato ad accoppiare due elementi meccanici che terminano entrambi con una vite avente un passo diverso? Avrete sicuramente interporposto tra i due un terzo elemento, un manicotto dotato alle estremità delle opportune cavità filettate: avete “condizionato” due elementi meccanici.
La stessa cosa succede nei sistemi elettronici quando si tratta di accoppiare un sensore che fornisce un segnale non compatibile con quello accettato dal sistema di acquisizione dati.
I sistemi di condizionamento dei segnali sono dispositivi che permettono quindi di adattare un segnale in ingresso ad un appropriato segnale di uscita avente caratteristiche tecniche consone per essere acquisito dal sistema di acquisizione dati (cioè con un range di tensione e/o corrente sufficiente ad essere tradotto in formato digitale dal convertitore analogico-digitale del sistema di acquisizione dati).
Comunemente, gli ingressi delle centraline, impiegate in ambito competizioni motoristiche, sono ingressi analogici 0-5V, per sensori di spostamento, sensori inerziali (accelerometri e giroscopi) e sensori di pressione, ingressi digitali per sensori di traguardo, giri motore e giri ruota ed ingressi per termocoppie o RPT per sensori di temperatura. Nel caso delle centraline più evolute, e costose, si hanno a disposizione ingressi differenziali (possibilità di leggere sia voltaggi positivi che negativi) a guadagno e quindi fondoscala in tensione programmabile, tipicamente usati per sensori estensimetrici.
A parte i casi in cui il sensore da noi scelto abbia un’uscita direttamente compatibile con gli ingressi a nostra disposizione, vuoi perchè è la sua stessa natura che lo permette (caso dei potenziometri per la misura degli spostamenti) o vuoi perchè il condizionamento viene fatto già a bordo del sensore stesso, in tutti gli altri casi è necessario prevedere l’impiego di un opportuno sistema di condizionamento che può essere schematizzato come segue:
dove:
– preamplificatore svolge varie funzioni tra le quali:
o amplifica il livello del segnale prima che ad esso si aggiunga il rumore dei blocchi successivi del sistema di acquisizione dati. Deve essere lineare per non introdurre distorsioni, ed a basso rumore. In alcuni casi utilizzando amplificatori di strumentazione si può ripulire il segnale da disturbi di modo comune. Gli amplificatori di strumentazione sono amplificatori progettati per non amplificare segnali comuni ai due ingressi (ad esempio disturbi comuni), per fornire un’amplificazione differenziale regolabile tramite collegamento di una resistenza agli appositi piedini, per avere ingressi simmetrici con valori di resistenza dell’ordine dei GigaHert e valori di offset e derive termiche molto bassi.
o adatta il livello del segnale alle migliori condizioni di funzionamento degli stadi successivi, in particolare del convertitore analogico-digitale.
o converte il tipo di segnale, ad esempio se il segnale del sensore è in corrente ed i blocchi successivi operano su segnali in tensione, effettua la conversione corrente-tensione.
– filtro svolge varie funzioni tra le quali:
o limita la banda di frequenza allo spettro del segnale utile eliminando i distrurbi associati al segnale, ma al di fuori della banda utile.
o ha funzione anti-aliasing da cui il nome di filtro anti-aliasing o di precampionamento (vedi nostro precedente articolo sul campionamento). I segnali generalmente presentano una tensione di rumore con uno spettro più ampio del segnale utile; le componenti di rumore, di frequenza superiore alla massima frequenza del segnale utile, possono dare origine a frequenze spurie, contenute nella banda utile. Si ha infatti una parziale sovrapposizione delle bande, analoga a quella che avremmo se campionassimo ad una frequenza troppo bassa. Il termine aliasing deriva dall’osservazione del segnale campionato che presenta componenti diverse (alias) non contenute nel segnale originario. Per eliminare queste componenti si usano i filtri anti-aliasing che limitano lo spettro alla banda utile del segnale.
Più raramente, il modulo di condizionamento viene utilizzato per risolvere problemi di non linearità del sensore (ossia quando le variazioni del segnale di uscita non sono proporzionali alle variazioni della grandezza in ingresso); tipico esempio sono le termocoppie ed il ponte di Wheatstone (utilizzato in applicazioni estensimetriche).
In questi casi la linearizzazione può essere effettuata mediante:
– Modifica del circuito di trasduzione, il segnale del sensore viene linearizzato tramite opportune modifiche nel circuito di trasduzione della grandezza fisica.
– ROM, il segnale del sensore viene convertito in digitale, la parola digitale ottenuta viene applicata come indirizzo ad una ROM, ove si trova il valore corretto e linearizzato.
– Software, il segnale del sensore viene convertito ed acquisito da un sistema a microprocessore, questo lo rielabora mediante funzione matematica e lo ripropone corretto e linearizzato.