Docente: Prof. Mauro De Berardis  

Lavori eseguiti dagli alunni della classe Quinta B TIEN  IPSIA Teramo        

Coordinamento: Prof. Mauro De Berardis, Prof. Loreto Giovannucci

Filtri universali

Lavoro eseguito dall'alunno Franco Topitti

Acquisizione ed elaborazione dei segnali

Un settore importante dell’Elettronica è quello che si occupa dell’acquisizione e dell’elaborazione di segnali analogici dipendenti da grandezze fisiche di varia natura, al fine di effettuare il controllo della grandezza in esame o anche semplicemente la visualizzazione, la memorizzazione o la trasmissione dei valori che essa assume. I campi applicativi sono vastissimi: dalla strumentazione di laboratorio, ai sistemi di rilevamento di dati ambientali, all’automazione industriale, alla telefonia, ecc.

Lo sviluppo di sofisticate tecniche di elaborazione digitale e l’uso diffuso di dispositivi programmabili nonché gli innumerevoli vantaggi associati al trattamento di segnali digitali, relativamente complessità, immunità al rumore, versatilità e standardizzazione, fanno sì che, nella maggior parte dei casi, i segnali analogici vengano convertiti in segnali digitali per essere elaborati. I dati elaborati vengono poi eventualmente riconvertiti in forma analogica per comandare dispositivi attuatori o, comunque, per essere utilizzati.

Sistema di acquisizione ed elaborazione dati

In un sistema di acquisizione dati si possono individuare elementi e funzioni frequentemente ricorrenti. Esaminiamo quindi la struttura di un ipotetico sistema completo per evidenziare la funzionalità di ciascun blocco e l’interazione fra i blocchi stessi.

schema generale di un sistema di acquisizione e distribuzione dati

Il primo elemento da considerare è il trasduttore, la cui funzione tipica è di fornire in uscita una grandezza elettrica di valore proporzionale alla variazione della grandezza fisica in esame. Una termocoppia ad esempio fornisce una tensione proporzionale alla temperatura; un fotodiodo fornisce una corrente proporzionale alla luminosità; un microfono fornisce un segnale proporzionale alla pressione dell’onda sonora.

trasduttore di pressione

I segnali generati dai trasduttori devono essere condizionati in modo che il trasferimento dell’informazione possa avvenire con le caratteristiche di precisione, linearità, immunità al rumore, isolamento elettrico richieste per una data applicazione. Il blocco di condizionamento che costituisce un’interfaccia fra il circuito di rilevamento e gli altri blocchi, viene generalmente realizzato mediante amplificatori e filtri.

Generalmente l’elaborazione dei segnali può essere realizzata in forma analogica. Ad esempio, se si vuole controllare la temperatura di un ambiente mantenendola nell’intorno di una soglia prefissata, basterà confrontare, analogicamente, il segnale fornito da un trasduttore di temperatura con una tensione di riferimento e comandare opportunamente il dispositivo riscaldatore. Nella maggior parte dei casi si usano soluzioni di tipo digitale. Pertanto, i segnali analogici, opportunamente condizionati, vengono trattati da convertitori analogico-digitali (ADC: analog to digital converter); essi forniscono in uscita stringhe di bit, ad esempio otto, come indicato in figura e che rappresentano numeri proporzionali ai valori del segnale analogico in ingresso. Con l’elaborazione e il trasferimento le prestazioni sono decisamente superiori per quanto riguarda l’immunità al rumore e le derive termiche. L’impiego di dispositivi programmabili consente inoltre di effettuare in modo semplice elaborazioni molto sofisticate e di modificare il tipo e i parametri dell’elaborazione stessa con una certa facilità, intervenendo opportunamente sul programma.

Il convertitore A/D è preceduto da due blocchi, il multiplatore analogico (AMUX: analog multiplexer) e il circuito di campionamento e mantenimento (S/H: sample and hold).

Il multiplexer seleziona, uno solo dei segnali analogici in ingresso, trasferendolo in uscita; in tal modo è possibile trattare più segnali impiegando lo stesso convertitore. Il circuito sample and hold risponde alle esigenze di campionare il segnale analogico da convertire e di mantenerlo stabile per tutta la durata della conversione.

Il blocco indicato. come elaboratore rappresenta dispositivi di varia complessità: potrebbe essere un processore che memorizza i dati o effettua elaborazioni sofisticate su di essi o ne controlla il trasferimento ad un dispositivo remoto; più semplicemente potrebbe essere un sistema visualizzatore. In ogni caso, dovranno essere previste le opportune interfacce e le linee di controllo per l’acquisizione dei dati digitali. In figura sono evidenziate, oltre alle otto linee di ingresso dati, anche linee di selezione per il multiplexer e linee di controllo per il S/H e per l’ADC.

I dati di uscita del sistema di elaborazione possono essere utilizzati, in forma digitale o analogica, per azionare motori, accendere lampade o riscaldatori, far suonare allarmi, ecc., sia localmente che a distanza. Spesso il risultato delle elaborazioni viene utilizzato proprio per influenzare la grandezza rilevata all’inizio della catena di acquisizione, realizzando in tal modo un sistema di controllo ad anello chiuso.

I dati digitali forniti dall’elaboratore su otto linee parallele vengono convertiti in forma analogica dal convertitore digitale-analogico (DAC). Il segnale di uscita del DAC viene mandato all’ingresso di un demultiplatore analogico (ADEMUX: analog demiltiplexer) che lo trasferisce all’uscita selezionata dal codice presente sulle linee di indirizzo. Naturalmente dovrà essere molto precisa la sincronizzazione del convertitore e del dumultiplatore in modo che la distribuzione dei segnali avvenga correttamente. Inoltre potranno essere presenti circuiti S/H e filtri che consentano un’adeguata ricostruzione dei segnali analogici dopo la conversione e la distribuzione.

Filtri

Nei sistemi di acquisizione dati i filtri sono principalmente di tipo passa-basso. Infatti, mentre i segnali forniti dai tradsuttori sono di solito lentamente variabili, con larghezza di banda spesso inferiore a 10 Hz, i disturbi che ad essi si sovrappongono sono generalmente di frequenza maggiore. Inoltre, operando su segnali che dovranno essere campionati e convertiti in forma digitale, è quasi sempre necessario limitarne la banda di frequenza al valore che effettivamente interessa; la banda dovrà comunque essere limitata ad un valore inferiore alla metà della frequenza di campionamento al fine di evitare un’errata acquisizione del segnale.

E’ anche comune l’impiego di filtri elimina-banda, ad esempio il filtro a doppio T per eliminare i disturbi alla frequenza di rete, e, occasionalmente, di filtri passa-banda o filtri passa-alto, ad esempio per eliminare errori dovuti alle correnti di polarizzazione degli amplificatori. La scelta del filtro dovrà essere effettuata tenendo conto della risposta e della pendenza desiderate, del tipo di segnale (continuo, sinusoidale, con più armoniche) e della sua frequenza, dell’errore (dovuto all’attenuazione e allo sfasamento delle varie armoniche) che il filtro stesso introduce nel segnale. Anche la frequenza di taglio dovrà essere scelta in modo da ottimizzare le prestazioni: in un filtro passa-basso dovrà essere più bassa possibile ma tale da consentire il trasferimento del segnale con un errore accettabile. Ad esempio, per filtrare il segnale di un trasduttore di temperatura di frequenza non superiore ad 1 Hz, può essere impiegato il filtro del 3° ordine modificato con frequenza di taglio fH = 2 Hz. Naturalmente alcuni tipi di trasduttori, ad esempio i piezoelettrici, potranno fornire segnali di frequenza più elevata e richiederanno di conseguenza filtri con frequenze di taglio più alte.

Filtri universali

I filtri attivi universali (UAF: Universal Active Filter), realizzano con un unico circuito a tre uscite, comprendente tre o quattro operazionali, un filtraggio passa-alto (HP), passa-banda (BP) e passa-basso (LP).

Nella simulazione realizzata con viene utilizzata l'uscita passa basso.

Sono reperibili in commercio filtri attivi universali integrati prodotti da alcuni costruttori. I vari dispositivi hanno una struttura interna sostanzialmente simile, comprendente quattro operazionali, tre dei quali destinati a realizzare il circuito in configurazione invertente e non invertente con l’aggiunta di pochi resistori esterni; il quarto operazionale, non connesso internamente con gli altri, risulta disponibile per svariati impieghi. Esso può, ad esempio, essere utilizzato come amplificatore per incrementare il guadagno del filtro, per implementare una cella filtrante o ancora come sommatore per ottenere un’uscita notch.

Telecomunicazioni

I filtri vengono utilizzati in moltissime applicazioni, praticamente in ogni campo dell'elettronica. Un'applicazione importante si trova nel campo della telefonia, nella multiplazione demultiplazione dei segnali telefonici.

Multiplazione

I principali mezzi di trasmissione (o supporti) nei sistemi di comunicazione elettrici sono i conduttori bifilari (doppini telefonici), i cavi coassiali, le fibre ottiche, lo spazio. In ogni caso è quasi sempre irrinunciabile l’esigenza di trasmettere attraverso un unico mezzo informazioni provenienti da più sorgenti, o canali, senza che si producano interferenze fra i segnali.

Un esempio comune è la radiodiffusione: nel caso specifico della FM, più stazioni emettono i propri segnali modulati in frequenza in una gamma da 88 a 108 MHz; tutti questi segnali vengono diffusi attraverso un unico mezzo di trasmissione cioè attraverso lo spazio. L’apparecchio ricevitore deve potersi sintonizzare su una delle stazioni emittenti e demodulare il segnale senza che le altre stazioni interferiscano.

Un altro esempio è il sistema telefonico in cui su un unico supporto, doppino o cavo coassiale o anche ponte radio, devono poter essere convogliate più conversazioni telefoniche simultaneamente.

Un metodo per risolvere questo problema è quello di effettuare la trasmissione impiegando per ciascun segnale da trasmettere una portante di frequenza diversa, tale che gli spettri dei vari segnali modulati occupino bande di frequenza adiacenti e non sovrapposte. In altri termini, N ta segnali con larghezza di babda B (segnali in banda base), appartenenti ad N canali di trasmissione, vengono traslati in frequenza e combinati in un unico segnale che presenta una larghezza di banda molto più ampia, multipla di B, contenete tutti gli N canali. La composizione di più segnali viene chiamata multiplazione a divisione di frequenza (FDM: frequency division multiplexing) e si basa sul principio della conversione di frequenza.

Il concetto di FDM, si può far riferimento alla rete telefonica ove la tecnica FDM è ancora largamente utilizzata, specie per collegamenti a grandi distanze. Poiché si considera la banda fonica una larghezza lorda B = 4 k Hz (per la comunicazione vera e propria sono utilizzate le frequenze da 300 Hz a 3400 Hz). Il processo di traslazione della banda fonica, o banda base, per ottenere N bande traslate è realizzato generalmente mediante modulazione di ampiezza di N portanti.

Lo schema di principio illustra la multiplazione di 12 canali telefonici: i segnali di ciascun canale vengono traslati in frequenza ovvero modulati con portanti distanziate di 4 k Hz (64,68,…108 k Hz). La banda del segnale trasmesso ha una larghezza Bt = 12 * 4 k Hz.

In ricezione naturalmente il segnale dovrà essere demultiplato; occorrerà quindi filtrare le bande relative a ciascun canale e demodulare l’onda risultante per estrarre i segnali in banda base trasmessi.

Matematica

Si definisce frequenza di taglio di un filtro passa basso, la frequenza alla quale il segnale di uscita si attenua di 3 dB rispetto al valore di centro banda.

Misura in dB del guadagno.

Il guadagno di più stadi amplificatori in cascata è fornito dal prodotto dei guadagni di ogni singolo stadio. Il rapporto tra la grandezza di uscita dell’ultimo e quella di ingresso del primo è dato dal prodotto dei guadagni o delle attenuazioni dei singoli quadripoli. Per la valutazione rapida del rapporto suddetto può risultare difficoltosa l’esecuzione di prodotti ripetuti; pertanto si è abbinata alla definizione di guadagno (o attenuazione) ormai usuale, una definizione di tipo logaritmico, che, grazie alle proprietà di tale funzione matematica, consente di trasformare in somme i prodotti.

Il rapporto tra la potenza d’uscita e quella di ungresso di un quadripolo viene espresso mediante il decibel dB, che risulta definito nel seguente modo:

Gp = 10 lg A ^(P) = 10 lg Pu/Pi

Gv= 20 lg A^(v) = 20 lg Vu/Vi

Gi= 20 lg A⁽ⁱ⁾ = 20 lg Iu/Ii

Applicando la definizione di logaritmo è possibile eseguire il passaggio inverso, ovvero dalla espressionedel guadagno in dB risalire a quella del guadagno di tensione, corrente o potenza:

A(p) = 10 ^{^(Gp/10)}

^{A(v) =10^(Gv/20)}

^{A(i)=10^(Gi/20)}

Traduzione

Descrizione generale

Le serie LM741 sono aplificatori operazionali a scopo generale che hanno come caratteristiche prestazioni migliorate rispetto gli standard industriali come l’LM709. Sono sostituzioni a presa diretta per i 709C, LM201; MC1439 e 748 nella maggior parte delle applicazioni. Gli amplificatori offrono molte caratteristiche che rendono la loro applicazione di semplice funzionamento: protezione contro i sovraccarichi all’ingresso e all’uscita, non c’è nessun fenomeno di chiusura quando si supera il CMR, come pure assenza di oscillazioni. I LM741C/LM741E sono icentici ai Lm741/LM741A fatta eccezione per il fatto che gli LM741C/LM741E hanno le loro prestazioni garantite su un range di temperature che va da 0°C a –70°C, invece di –55°c a +125°C.