mercoledì 22 febbraio 2023 · 0 min read
Cos'è un Amplificatore di segnale e come Funziona?
In questo articolo parleremo degli amplificatori di segnale, in particolare quelli che vengono utilizzati nel mondo dei sistemi di acquisizione dati (DAQ). Alla fine di questo articolo:
Saprai come funzionano gli amplificatori di segnale DAQ
Imparerai come vengono utilizzati nei sistemi DAQ
Vedrai le applicazioni e i vantaggi di questi amplificatori di segnale
Pronto per iniziare? Iniziamo!
Cos'è un Amplificatore di Segnale?
Un amplificatore di segnale è un circuito elettrico (elemento principale del circuito di condizionamento del segnale) che serve per aumentare l'ampiezza di un segnale di tensione o di corrente in ingresso e genera in uscita un segnale elettrico della stessa forma, ma con con ampiezza maggiore. L'amplificatore di segnale ideale crea una replica amplificata del segnale originale, ma identico in ogni altro aspetto. In pratica, un amplificatore “perfetto” non è possibile, perché nessun circuito può scalare perfettamente e proporzionalmente tutti gli aspetti di un segnale oltre un certo punto.
Gli amplificatori di segnale sono il componente essenziale all’interno catena di acquisizione dati di migliaia di dispositivi, inclusi telefonici fissi e cellulari, sistemi musicali e di diffusione sonora, sistemi di acquisizione dati (DAQ), trasmettitori a radiofrequenza, controller per servomotori e innumerevoli altri.
Nei sistemi di acquisizione dati (DAQ), sono necessari amplificatori di segnale per aumentare le ampiezze dei segnali acquisiti dai sensori dai sensori, fino al livello in cui possono essere inviati a un convertitore A/D (ADC) per la digitalizzazione. Il tipico convertitore analogico-digitale ha un range d'ingresso di ±5 V. Pertanto, i segnali provenienti da termocoppie, shunt, estensimetri e altri che sono molto inferiori a ±5 V devono essere amplificati in modo significativo prima di essere inviati all'ADC.
Tipi di Amplificatori di Segnale
Esistono diversi tipi di amplificatori di segnale, ciascuno in grado di condizionare diversi tipi di segnale. Ecco un elenco di alcuni comuni amplificatori di segnale presenti nei sistemi di acquisizione dati di oggi:
Amplificatori differenziali
Amplificatori isolati
Amplificatori di tensione: amplificatore a bassa tensione, amplificatore ad alta tensione, amplificatore di tensione DC, amplificatore di tensione AC
Amplificatori di corrente
Amplificatori piezoelettrici
Amplificatori di carica
Amplificatori per termocoppie
Amplificatori estensimetrici: amplificatore a ponte (amplificatore a ponte intero, amplificatore a mezzo ponte, amplificatore a quarto di ponte)
Amplificatori di resistenza
Amplificatori LVDT
Preservare le Caratteristiche Essenziali di un Segnale
Lo scopo di un amplificatore per chitarra è quello di prendere l'uscita a basso livello da una chitarra elettrica e farla suonare bene. Non ha nulla a che fare con la precisione (irrilevante in questa applicazione), in questo caso tutto ha che fare con l'estetica. Si vuole semplicemente ottenere un buon suono e l'elettronica all'interno dei classici amplificatori a valvole è progettata intenzionalmente per rendere il suono più piacevole.
Tuttavia, lo scopo di un sistema DAQ è di effettuare misure accurate dei segnali. Pertanto, tutti gli aspetti del sistema sono progettati per preservare l'accuratezza del segnale. Sarebbe controproducente se un sistema DAQ distorcesse il carattere e la natura del segnale quando ne aumenta l'ampiezza. Come si può raggiungere questo obiettivo?
Indizi molto forti su quali elementi di un segnale sono più essenziali da preservare possono essere osservati da una rapida occhiata alle specifiche degli amplificatori di segnale (noti anche come "condizionatori di segnale") utilizzati nei migliori sistemi DAQ di oggi. Ecco gli elementi che vengono specificati più spesso:
Range d’ingresso
Larghezza di banda e larghezza di banda “Alias-free”
Frequenza di campionamento
Accuratezza di guadagno
Deriva di guadagno
Linearità di guadagno
Accuratezza di Offset
Deriva di Offset
Range dinamico
Rumore di fondo
Impedenza di ingresso
Massima tensione di modo comune
Isolamento
Diamo un'occhiata a ciascuna di queste specifiche.
Cos'è il Range d'Ingresso?
Gli intervalli di ingresso sono i guadagni di ingresso selezionabili che possono essere applicati al segnale. In un tipico condizionatore di segnale a bassa tensione, questi potrebbero variare da ±100 mV a ±50 V (o più), con diversi passaggi intermedi.
L'utente seleziona l'intervallo di ingresso che corrisponde meglio all'ampiezza bipolare totale del segnale. Quindi, ad esempio, se un segnale ha un intervallo di circa (ma non supera) ±500 mV, un impostazione dell'intervallo di ingresso di ±500 mV sarebbe l'ideale. Se questo non è disponibile nel sistema DAQ, l'utente deve scegliere l'intervallo superiore successivo, ad esempio ±1V.
E' importante che il segnale non superi nessuno dei limiti bipolari massimi del range di ingresso selezionato, per evitare di “tagliare” gli estremi del segnale.
Il compito del condizionatore di segnale è quindi quello di amplificare ciascuno di questi intervalli fino all'uscita ideale di ±5 V richiesta dall'ADC.
Pertanto, un intervallo di ingresso di ±5V significherebbe guadagno unitario o un rapporto 1:1 tra ingresso e uscita, mentre la selezione di un intervallo di ingresso di ±500 mV significherebbe che l'amplificatore ha un guadagno di 10:1.
La selezione di un intervallo di ±200 V significherebbe un guadagno di 1:40, ovvero un'attenuazione da 40 a 1. Indipendentemente dall'intervallo, l'uscita viene ridimensionata idealmente a ±5 V per la presentazione all'ADC.
A questo punto, dovrebbe essere ovvio che l' "amplificatore" del segnale del nostro sistema DAQ deve poter funzionare anche come "riduttore" di segnale, a seconda dell'intervallo di ingresso selezionato dall'utente. Deve funzionare ugualmente bene indipendentemente dal fatto che stia amplificando o attenuando il segnale, o nessuno dei due (guadagno unitario).
Cosa succede se viene selezionato il range sbagliato? Bene, se l'utente seleziona un range troppo ampio, il segnale sarà molto piccolo all'interno dell'apertura di uscita di ±5 V. Il risultato sarà una risoluzione inferiore durante la digitalizzazione e un rapporto segnale/rumore scadente.
Usare un range troppo grande è, ad esempio, come stare a 100 m di distanza e scattare la foto di un gatto con una normale fotocamera... Nell’immagine risultante ci saranno relativamente pochi pixel contenenti un gatto. Quello che dovrai fare è avvicinarti al gatto finché non riempie l'inquadratura e l'intera risoluzione della fotocamera viene utilizzata per catturare l’immagine del gatto.
D'altra parte, se ti avvicini troppo puoi scattare una foto che contiene solo una parte del gatto, giusto? Altre parti del gatto non saranno affatto nella foto. La stessa cosa accade se l'utente sceglie un intervallo di ingresso troppo piccolo per il segnale: parte del segnale verrà "tagliato" e non registrato affatto.
OK, non stiamo misurando i gatti, ma questo rende l'idea: selezionare il range di ingresso corretto è fondamentale per ottenere il miglior rapporto segnale-rumore possibile e la migliore risoluzione del segnale, evitando così segnali "tagliati".
La Soluzione alle impostazioni errate del range d'ingresso - Tecnologia Dewesoft DualCoreADC®
Gli ingegneri hanno lottato per anni con questo dilemma. Vogliono selezionare un intervallo che fornisca loro la migliore risoluzione possibile, ma alcuni segnali sono imprevedibili e la loro ampiezza può aumentare ben oltre il previsto durante una misura.
Una soluzione potrebbe essere quella di inserire ciascun segnale in due diversi canali di ingresso sul sistema DAQ:
Un canale è impostato per la migliore risoluzione per la maggior parte dei test;
L'altro canale è impostato su un intervallo più ampio per quei momenti in cui il segnale aumenta notevolmente in ampiezza.
Funzionerebbe, ma è una scelta molto inefficiente: l'utilizzo di due canali per ogni segnale di ingresso richiederebbe il doppio dei sistemi DAQ per svolgere lo stesso lavoro. Inoltre, renderebbe l'analisi dei dati dopo ogni test molto più complessa e dispendiosa in termini di tempo.
La tecnologia DualCoreADC® di Dewesoft risolve questo problema utilizzando due ADC a 24 bit separati per ciascun canale, fornendo il passaggio automatico dall'uno all'altro in tempo reale senza interruzioni. Questi due ADC misurano sempre il guadagno alto e basso del segnale di ingresso. Ciò si traduce nell'intero campo di misura possibile del sensore e impedisce che il segnale venga tagliato.
Video sulla tecnologia degli amplificatori Dewesoft DualCoreADC®
E non è solo per i segnali dinamici: anche con segnali molto lenti come dalla maggior parte delle termocoppie, avere la massima risoluzione possibile dell'asse di ampiezza può essere fondamentale.
Immagina una termocoppia in grado di misurare in un intervallo di 1500°. La maggior parte delle volte il segnale è entro un centinaio di gradi o giù di lì, ma occasionalmente sale fino a 800° o più. Anche con questo tipo di segnale molto lento, la tecnologia DualCoreADC® è un grande vantaggio, perché commuta automaticamente tra Gain1 usato per la maggior parte del segnale e Gain2 usato durante le escursioni di ampiezza elevata, preservando sempre la risoluzione ottimale dell'asse Y.
Con la tecnologia DualCoreADC® i sistemi DAQ SIRIUS raggiungono un rapporto segnale-rumore superiore a 130 dB e oltre 160 dB in gamma dinamica. Performance, queste, che sono di 20 volte migliori di quelle che si hanno con i tipici sistemi a 24 bit e con il rumore ridotto di 20 volte.
Cosa sono la Larghezza di Banda e la Larghezza di Banda Alias-Free?
La larghezza di banda chiamata anche “risposta in frequenza” è la gamma di frequenze all'interno della quale si ritiene che le prestazioni di un amplificatore di segnale siano soddisfacenti. Questo è stato storicamente accettato per indicare che l’amplificatore può riprodurre il segnale fino al punto in cui l'ampiezza del segnale è ancora entro -3 dB dal suo vero valore. Questo cosiddetto "punto 3 dB" può essere espresso anche come il segnale al 70,7% della sua ampiezza reale.
Diamo un'occhiata a un esempio del mondo reale considerando l'amplificatore di segnale SIRIUS LV (bassa tensione). La larghezza di banda nominale di questo modello è di 70 kHz. In parte, questo è dovuto al fatto che il SIRIUS LV non è un condizionatore di segnale analogico, ma dispone di un ADC completamente integrato. Si tratta di un ADC delta-sigma con risoluzione a 24 bit e filtro anti-aliasing integrato.
Una delle caratteristiche degli ADC delta-sigma è che campionano molto più velocemente della frequenza selezionata. Usano una potente elettronica DSP integrata per derivare un flusso di dati in uscita con una risoluzione dell'asse di ampiezza molto elevata, in questo caso, 24 bit. Questo schema previene anche i segnali alias (cioè "falsi") causati dal campionamento troppo lento per i segnali in ingresso.
Di conseguenza, la larghezza di banda è anche la larghezza di banda "senza alias", ciò significa che i segnali con alias non sono possibili all'interno di questo intervallo. Gli amplificatori di segnale che non incorporano anche la conversione A/D non possono specificare la larghezza di banda priva di alias, poiché questa specifica è correlata al processo di conversione A/D.
Per ottenere la migliore larghezza di banda possibile e risultati privi di alias, viene utilizzata una combinazione di tecnologie:
filtraggio analogico,
sovracampionamento,
Filtraggio digitale.
Guardando il grafico sopra, puoi vedere che la linea arancione che rappresenta il filtraggio SIRIUS è quasi perfetta. Come è stato ottenuto questo risultato? È risaputo che ogni filtro impone uno sfasamento, quindi come è possibile?
Per ottenere un roll-off molto netto ("smorzamento") abbiamo bisogno di un filtro di ordine elevato. Questo ci porta a filtrare nel dominio digitale rispetto a quello analogico, tuttavia, il filtraggio digitale non può essere utilizzato per prevenire l'aliasing. Puoi saperne di più leggendo Che cos'è un convertitore A/D.
Pertanto, ciò è possibile filtrando prima nel dominio analogico per bloccare l'aliasing e, successivamente, filtrando nel dominio digitale. Ma per migliorare il più possibile la fase, dovremmo usare un filtro IIR (Infinite Impulse Response), filtro che richiede molta potenza di elaborazione.
Fortunatamente, il DSP all'interno dell’ ADC SIRIUS è in grado di eseguire i milioni di calcoli al secondo necessari. Inoltre, la sua architettura delta-sigma include il sovracampionamento, che aumenta la frequenza di Nyquist e migliora la qualità del segnale. Il risultato è un roll-off molto ripido a una frequenza prevedibile, in questo caso 70 kHz.
Va notato che ci sono altri amplificatori di segnale SIRIUS, come la serie HS (alta velocità) che utilizza un A/D più veloce e offre quindi una larghezza di banda maggiore e priva di alias. A seconda del modulo specifico, la serie HS offre larghezze di banda di 500 kHz, 1 MHz e 2 MHz. Inoltre, la serie SIRIUS XHS offre una larghezza di banda fino a 5 MHz.
In ogni caso, è importante abbinare lo strumento all'applicazione. Per quasi tutte le misure DAQ all'interno del dominio fisico (elettrico e meccanico), la larghezza di banda offerta dalla serie di amplificatori di segnale SIRIUS è più che adeguata.
Cos'è la Frequenza di Campionamento?
Quando si acquista un sistema DAQ, la maggior parte delle persone considera la frequenza di campionamento come la velocità massima che un auto può raggiungere. "Quanto può andare veloce questa cosa?"
È una domanda importante, ovviamente, ma dobbiamo anche considerare la larghezza di banda effettiva e la larghezza di banda priva di alias del sistema (vedi la sezione precedente), motivo per cui quella specifica è forse più importante.
La frequenza di campionamento è semplicemente la velocità alla quale il convertitore A/D all'interno di un sistema DAQ può campionare i dati analogici in ingresso all'amplificatore di segnale. Chiaramente correlato alla larghezza di banda di cui abbiamo discusso sopra.
Continuando ad utilizzare come esempio la famiglia DAQ SIRIUS, questi moduli sono disponibili in tre varietà:
SIRIUS DualCore e HD (alta densità): Frequenza di campionamento massima: 200 kS/s/ch
SIRIUS HS (alta velocità): Frequenza di campionamento massima: 1 MS/s/ch
SIRIUS XHS (Extra High Speed): Frequenza di campionamento massima: 15 MS/s/ch
Dove:
“S/s/ch” = campioni al secondo per canale.
Tutti i canali vengono campionati simultaneamente, quindi se stiamo registrando 8 canali a 1 MS/s/ch, vengono scritti su disco 8 milioni di campioni al secondo. È pratica comune usare il termine "campioni" per indicare una parola di dati e non esprimerlo in termini di "byte", perché un campione è più di un byte. In un sistema a 16 bit, un campione è di due byte, ma in un sistema a 24 bit è di tre byte. Quindi è più utile e meno confusionario usare il termine "campioni".
Cos'è l'Accuratezza di Guadagno?
L'accuratezza del guadagno è l'accuratezza con cui un amplificatore di segnale può amplificare un segnale. Ad esempio, se abbiamo un segnale in ingresso di 1.287 V e chiediamo al nostro amplificatore di aumentare la sua ampiezza di un fattore 10, l'amplificatore dovrebbe darci un segnale in uscita di 12,870 V: esattamente 10 volte più grande. La differenza tra l'amplificazione ideale e l'amplificazione effettiva è l'errore di guadagno.
L'amplificatore di segnale ideale non avrebbe alcun errore di guadagno, ma nella realtà c'è sempre qualche errore in ogni sistema.
La precisione del guadagno può anche essere espressa in termini di "errore di guadagno", ossia l'inverso della precisione del guadagno.
Le abbreviazioni comuni per questa metrica includono "% FS" per la percentuale di fondo scala e "% RD" per la percentuale di lettura.
L'errore di guadagno è una misura di grandezza espressa normalmente come percentuale della lettura effettiva del segnale. Ma può anche essere dato come percentuale del fondo scala, il che può essere molto diverso. Come?
Usando un esempio con numeri tondi, consideriamo due sistemi ipotetici definiti di seguito: ciascuno di essi specifica che l'accuratezza del guadagno della loro gamma di 10 V è pari all'1%.
L'ipotetico sistema A specifica l'errore di guadagno alla lettura, mentre l'ipotetico sistema B lo specifica a fondo scala. Qual è la differenza?
Per testarlo inseriamo esattamente lo stesso segnale a 10V in entrambi i sistemi. Quando il segnale è a 10 V e la nostra ampiezza è 10 V, l'errore di guadagno dovrebbe essere identico nei sistemi A e B.
Ma ... cosa succede se riduciamo l'ampiezza del segnale a 5V?
Il sistema A ha un errore di guadagno dell'1% della lettura, quindi la percentuale di errore di guadagno segue l'ampiezza della lettura e rimane costante. Non importa quale sia il segnale all'interno di questo intervallo, l'errore di guadagno non cambia: è sempre la stessa percentuale della lettura del segnale.
Il sistema B ha un errore di guadagno dell'1% indipendentemente dalla lettura, quindi quando l'ampiezza del segnale si riduce del 50% ma il range rimane a 10V, l'errore raddoppia. Se abbassiamo ulteriormente il segnale a 1V, l'errore di guadagno potrebbe essere 10 volte peggiore dell'1% o del 10%.
Per questo motivo è importante considerare come viene effettivamente specificato il guadagno.
Il modulo SIRIUS LV ha una specifica di precisione del guadagno di ±0,05% della lettura. Ciò significa che, indipendentemente dall'ampiezza del segnale all'interno di un determinato intervallo, la precisione del guadagno (errore) non cambierà.
Cos'è il Drift di Guadagno?
La deriva del guadagno è più propriamente chiamata "Drift della temperatura del guadagno" perché è la quantità di errore di guadagno che potrebbe essere indotta a causa delle variazioni della temperatura ambiente. La deriva del guadagno è quindi normalmente espressa come il numero di parti per milione per grado di variazione della temperatura.
La temperatura è espressa in gradi Celsius (°C) o nell'unità SI Kelvin (K). Nota che sebbene i loro punti zero o di riferimento siano drasticamente diversi, Kelvin e Celsius rappresentano la stessa grandezza. Quindi un grado Celsius è la stessa grandezza di un'unità Kelvin.
Un buon esempio per questa specifica è rappresentato dall'amplificatore di segnale SIRIUS LV. La sua deriva di guadagno è espressa come:
Tipico 10 ppm/K, max. 30 ppm/K
Quindi, in questo caso, vengono fornite due specifiche: la deriva tipica prevista in condizioni operative quotidiane e la deriva (massima) nel caso peggiore, ossia in condizioni estreme. La deriva tipica sarebbe di 10 parti per milione per unità Kelvin (essenzialmente uguale a "per grado °C"), in questo caso.
“Parti per milione" definisce la frazione di deriva del guadagno quando soggetto a una variazione della temperatura di esercizio.
Un altro modo in cui potresti vedere specificata la deriva di guadagno è la seguente:
±20 ppm/K ±100μV/K
In questo caso, viene specificata la deriva ppm per grado più una tensione aggiuntiva (100 µV in questo esempio) deve essere sommata alla temperatura per determinare la deriva massima del guadagno per grado di variazione di temperatura.
Ovviamente, dobbiamo sapere qual è la temperatura di lavoro, quindi i produttori normalmente forniscono la temperatura operativa di base o l'intervallo di temperature operative dello strumento in questione.
Cos'è la Linearità del Guadagno?
La linearità si riferisce a quanto bene un amplificatore può emettere segnali amplificati che sono copie accurate dei segnali in ingresso. Nessun amplificatore è perfetto, ovviamente, ma un amplificatore lineare è progettato specificamente per gestire questa sfida. I sistemi DAQ si occupano di effettuare misure accurate, quindi difficilmente i loro condizionatori di segnale potrebbero cambiare radicalmente la natura dei segnali che stanno misurando.
Vogliamo che il nostro amplificatore crei una copia del segnale originale più precisa possibile, ma semplicemente con un'ampiezza diversa. La congruenza delle forme d'onda in entrata e in uscita dovrebbe essere identica, a meno di una quantità molto piccola di distorsione o "non linearità".
Continuiamo ad utilizzare il condizionatore di segnale SIRIUS LV come esempio, questo modulo ha una specifica di linearità del guadagno di <0,02%, il che significa semplicemente che la linearità del segnale amplificato rispetto alla forma d'onda originale può essere errata solo entro lo 0,02%.
Cos'è la Precisione di Offset?
A differenza della precisione del guadagno, che è più correlata all'ampiezza del segnale che viene amplificato, la precisione dell'offset è correlata al posizionamento accurato sull'asse Y della linea di base del segnale.
Consideriamo ad esempio una semplice forma d'onda sinusoidale AC a ±1.000 V. La linea centrale di questo segnale è esattamente a 0,000 V. Se il nostro condizionatore di segnale è impostato per amplificare questa onda sinusoidale fino a ±5.000 V, vogliamo ancora che la nostra linea di base sia a 0,000 V, giusto? La precisione dell'offset definisce quanto bene il nostro condizionatore di segnale può MANTENERE la linea di base dei segnali che amplifica.
Nel caso del SIRIUS LV, la specifica di precisione dell'offset viene fornita sia a monte che a valle dell'amplificatore bilanciato incorporato. A causa della gamma molto ampia di questo amplificatore, le specifiche sono leggermente diverse a seconda del range.
Nell’intervallo più sensibile di ±100 mV, la precisione dell'offset è ± 0,1 mV.
Nell'intervallo meno sensibile di ±200 V, la precisione dell'offset è ± 40 mV.
La precisione dell'offset di ±0,1 mV nell'intervallo di ±100 mV sembra un numero davvero impressionante, che a prima vista fa sembrare molto peggiori le specifiche di precisione dell'offset di 40 mV sottostanti. Ma non lo è, perché quel valore è nell'intervallo ±200 V, che è 2000 volte più grande dell'intervallo ±100 mV!
Cos'è la Deriva di Offset?
Come per la specifica della deriva del guadagno discussa in precedenza, la deriva dell'offset è la tendenza di questo parametro a cambiare nel tempo in base alle variazioni della temperatura di esercizio ambientale.
Nel condizionatore di segnale SIRIUS LV, la deriva dell'offset è specificata come:
Tipico 0,3 μV/K + 5 ppm di intervallo/K, max: 2 μV/k + 10 ppm di intervallo/K
Anche in questo caso, in realtà vengono fornite due specifiche: la deriva tipica in un ambiente operativo normale e la deriva massima quando il sistema viene utilizzato in un ambiente operativo estremo.
Quindi, nel tipico ambiente operativo, la specifica della deriva dell'offset è:
0.3 µV (0.000003 V) per unità Kelvin PI 5 ppm (0.000005) della GAMMA selezionata per unità Kelvin
Cos'è il Range Dinamico?
La gamma dinamica può essere facilmente spiegata usando la musica. Uno dei vantaggi quando è stato introdotto il CD musicale rispetto ai dischi in vinile e alle cassette, era la sua gamma dinamica. Fondamentalmente, questo è semplicemente dovuto alla differenza tra i suoni più deboli e più forti che il CD potrebbe esprimere.
Il volume dell'audio è di natura logaritmica, quindi la gamma dinamica è espressa in decibel (dB).
Mentre una cassetta può raggiungere 50 - 60 dB di gamma dinamica e l'LP in vinile da 33 ⅓ RPM offre una gamma dinamica di 55 - 70 dB, la musica su un CD può raggiungere i 96 dB e oltre sfruttando la modellazione del rumore all'orecchio umano.
La gamma dinamica è il rapporto tra il segnale non distorto di ampiezza maggiore e il segnale di ampiezza minore. Per effettuare questa misura in modo ripetibile tra i sistemi, viene iniettato un'onda sinusoidale pura a 1 kHz e una magnitudine fissa come 1,228 VRMS come riferimento noto.
Nel caso del SIRIUS LV, la specifica della gamma dinamica è fornita per ogni gamma selezionabile dall'utente con una frequenza di campionamento di 10 kS/s:
Nel range più sensibile di ±100 mV, la gamma dinamica è 130 dB
Nel range meno sensibile di ±200 V, la gamma dinamica è 136 dB
Ma come fa Dewesoft a raggiungere una gamma dinamica così elevata? I normali sistemi DAQ hanno specifiche di gamma dinamica inferiori a 100 dB.
La prima spiegazione è l'uso della tecnologia ADC delta-sigma a 24 bit. Il CD musicale sopra menzionato è uno standard degli anni '80 che consente di archiviare sul CD solo musica a 16 bit. Se si considera che ogni singolo bit che aggiungiamo alla risoluzione raddoppia il numero di valori che possono essere espressi, è chiaro che gli ADC a 24 bit forniscono una quantizzazione molto maggiore rispetto agli ADC a 16 bit.
Ma questo è solo l'inizio perché anche altri sistemi DAQ con ADC a 24 bit simili non raggiungono queste specifiche. La tecnologia DualCoreADC® di Dewesoft utilizza due ADC a 24 bit separati per canale e passa automaticamente dall'uno all'altro in tempo reale, creando un unico canale senza interruzioni. Questi due ADC misurano sempre il guadagno alto e basso del segnale di ingresso. Ciò si traduce nell'intero campo di misura possibile del sensore e impedisce che il segnale venga tagliato.
Guarda il video relativo al DualCoreADC
Con la tecnologia DualCoreADC® SIRIUS raggiunge più di 130 dB di rapporto segnale/rumore e più di 160 dB di gamma dinamica. Questo è 20 volte migliore dei tipici sistemi a 24 bit con 20 volte meno rumore.
Cos'è il Rapporto Segnale/Rumore (SNR)?
Come suggerisce il nome, questo è il rapporto tra il contenuto del segnale utile e lo sfondo o il contenuto del segnale indesiderato (rumore) che si è insinuato nella catena del segnale. Il rapporto segnale rumore (spesso abbreviato in S/N o SNR) è espresso in decibel (dB).
Questa specifica è strettamente correlata alla gamma dinamica sopra descritta. La tecnologia Dewesoft DualCoreADC migliora notevolmente il rapporto segnale-rumore dei sistemi di misura SIRIUS utilizzando due ADC indipendenti a 24 bit impostati su due diversi valori di guadagno e quindi combinando i loro flussi in un unico flusso fornendo il minimo rumore possibile e la migliore gamma dinamica possibile e rapporto segnale/rumore.
Cos'è il Rumore di Fondo?
Strettamente correlato al rapporto Segnale/Rumore sopra descritto, il “rumore di fondo” è semplicemente la somma di tutti i segnali indesiderati, chiamati “rumore”, presenti all'interno di un sistema di misura. Questo è facile da immaginare in un amplificatore di suono perché il rumore può essere letteralmente ascoltato all’interno passaggi musicali silenziosi. Ma è presente in tutti i sistemi, specialmente quelli che amplificano i segnali elettronici a un livello superiore.
È possibile misurare il rumore di fondo di un sistema utilizzando un analizzatore di spettro.
Poiché non possiamo misurare con precisione alcun segnale la cui ampiezza media sia inferiore al rumore di fondo, è importante conoscere e comprendere questo parametro.
Come il rapporto segnale/rumore, anche il rumore di fondo è espresso in decibel (dB).
Ad esempio, diamo un'occhiata al Dewesoft IOLITE 8xTH. Questo è un condizionatore di segnale per termocoppia a 8 canali isolato. Il rumore di fondo è specificato a due frequenze di campionamento e a due guadagni:
| IOLITE 8xTH | @ ±1 V range | @ ±10 V range |
|---|---|---|
| Noise floor Tipico @10/100 S/sec | 114 dB / 105 dB | 109 dB / 100 dB |
Quindi la migliore specifica del caso si ha a 114 dB, quando stiamo campionando a 10 S/s nell'intervallo ±1 V.
Cos'è l'Impedenza d'Ingresso?
Gli utenti dei sistemi DAQ sono propensi a dire che un ingresso ad alta impedenza è migliore di un ingresso a bassa impedenza. Perché?
Fondamentalmente, maggiore è l'impedenza di ingresso, minore sarà la corrente assorbita dalla sorgente di segnale collegata. Questo è preferibile perché meno corrente lascia passare il nostro amplificatore di segnale, meno effetto può avere sulla qualità della misura. Di conseguenza, quasi tutti i sistemi DAQ, i voltmetri e gli oscilloscopi hanno un ingresso con impedenze di ingresso elevate.
Immagina di misurare la pressione dell'aria di uno pneumatico della tua auto. Quando colleghi il manometro, per effettuare la misura una piccola quantità di aria fuoriesce dal tuo pneumatico.
In questa analogia, il manometro ideale per pneumatici sarebbe "ad alta impedenza", nel senso che non ha quasi alcun effetto sull'aria all'interno del pneumatico. Ma un manometro a "bassa impedenza" permetterebbe a molta aria di fuoriuscire, causando un notevole sgonfiamento del pneumatico e riducendo le sue prestazioni. Potrebbe anche portare a letture errate. Un'alta impedenza di ingresso non "carica" una sorgente di segnale, con conseguenti letture errate, motivo per cui è preferibile.
Ma cos'è esattamente l' "impedenza di ingresso"?
Essenzialmente l'impedenza è la somma dell'opposizione di un circuito al flusso di corrente (impedenza) nel nostro sistema di misura. L'impedenza è una grandezza vettoriale costituita da due elementi scalari indipendenti: resistenza (statica) e reattanza (dinamica). Il vettore si riferisce a una quantità bidimensionale. In questo caso è costituito da due elementi unidimensionali (scalari): resistenza (R) e reattanza (X).
L'impedenza si scrive con il simbolo Z ed è espressa in Ohm (Ω).
L'inverso dell'impedenza (1/Z) è chiamato ammettenza, rappresenta la quantità di corrente che l'ingresso assorbirà dalla sorgente del segnale.
L'ingresso DAQ ideale avrebbe un'impedenza infinita. In pratica, le impedenze di ingresso per sistemi DAQ, voltmetri, ecc. sono tipicamente nell'intervallo di 1 MΩ. Anche I condizionatori di segnale Dewesoft forniscono un’impedenza in ingresso elevata, alcuni modelli offrono fino a 10 MΩ di impedenza in ingresso. Consideriamo ad esempio il modulo SIRIUS LV (bassa tensione), che fornisce 1 MΩ di impedenza in ingresso nel range di ±200 V , tutte le altre gamme forniscono un’impedenza in ingresso di 10 MΩ.
Inoltre, il modulo SIRIUS HV (alta tensione) fornisce una Z in ingresso di 10 MΩ || 2 pF, dove || simbolo significa "in parallelo con".
I sistemi di misura dell'impedenza di ingresso elevata come gli oscilloscopi e i sistemi DAQ spesso specificano il loro ingresso Z come una resistenza in parallelo con una capacità, che normalmente è un valore molto piccolo. 2 pF = 2 picofarad, cioè 2 miliardesimi di farad.
Massima Tensione di Modo Comune
Innanzitutto, cos’è esattamente la tensione di modo comune? Le tensioni di modo comune sono segnali indesiderati che entrano nella catena di misura, solitamente dal cavo che collega un sensore al sistema di misura. Queste tensioni distorcono il segnale reale che stiamo cercando di misurare.
A seconda della loro ampiezza possono variare dall'essere un "piccolo fastidio" all'oscurare completamente il segnale reale e rovinare la misura. Sono chiamati "modo comune" perché entrano nei terminali di ingresso sia positivo che negativo.
L'approccio più elementare per eliminare i segnali di modo comune consiste nell'utilizzare un amplificatore differenziale. Questo amplificatore ha due ingressi: uno positivo e uno negativo. L'amplificatore misura solo la differenza tra i due ingressi.
I segnali comuni ad entrambe le linee verranno respinti dall'amplificatore differenziale, e verrà fatto passare solo il segnale, come mostrato nel grafico sottostante:
Funziona alla grande, ma ci sono limiti alla quantità di tensione di modo comune (CMV) che l'amplificatore può respingere. Quando il CMV presente sulle linee del segnale supera l'intervallo di ingresso CMV massimo dell'amplificatore differenziale, il segnale risultante in uscita sarà un segnale distorto e inutilizzabile, come mostrato di seguito:
Poiché tutti gli ingressi del sistema Dewesoft sono differenziali e la maggior parte di essi è anche isolata, la specifica massima di modo comune fornita è in realtà l'aggregato di entrambe le misure di sicurezza. Diamo un'occhiata a un esempio per vedere come viene specificata la massima tensione di modo comune:
SIRIUS STG è un modulo multifunzione che gestisce ogni tipo di estensimetro, ma può anche misurare direttamente tensione e resistenza e gestire un'ampia varietà di altri tipi di ingresso utilizzando gli adattatori della serie DSI, inclusi accelerometro di carica e IEPE, termocoppie, LVDT , e altro ancora. È disponibile sia in versione differenziale che differenziale + isolato.
SIRIUS STG Specifica Max. Tensione di Modo Comune:
Versione Isolata: ±500 V
Versione differenziale: @50 V range: ±60 V; @tutti gli altri range: ±12 V
Se il CMV massimo della versione differenziale è adatto all'applicazione, questo modello va bene. Ma se le tensioni di modo comune sono superiori alle specifiche previste, è necessario utilizzare la versione isolata poiché offre ±500 V di protezione dalla tensione di modo comune.
Isolamento
Nei casi in cui la massima tensione di modo comune di un amplificatore di ingresso differenziale non è sufficientemente elevata, è necessario un ulteriore livello di protezione contro CMV, disturbi elettrici e loop di terra: l'isolamento elettrico.
Gli ingressi di un amplificatore isolato "galleggiano" al di sopra della tensione di modo comune. Sono progettati con una barriera di isolamento con una tensione di rottura di 1000 volt o più. Ciò consente di reiettare la tensione di modo comune (rumore CMV) molto elevata ed eliminare i loop di massa.
Gli amplificatori isolati creano una barriera di isolamento utilizzando piccoli trasformatori per disaccoppiare ("rendere flottante") l'ingresso dall'uscita, o da piccoli fotoaccoppiatori, o mediante accoppiamento capacitivo. Gli ultimi due metodi in genere forniscono le migliori prestazioni di larghezza di banda.
L'isolamento è normalmente espresso in termini di tensione. Ad esempio, tutti gli amplificatori Dewesoft SIRIUS sono classificati con un isolamento di 1000 V, con il modulo HV (alta tensione) che ottiene la certificazione CAT II aggiuntiva a quel livello. Tra le altre cose, le valutazioni CAT si riferiscono alla categoria di misura IEC (International Electrotechnical Commission), ossia come e dove vengono utilizzati gli strumenti rispetto ai circuiti sotto tensione.
Per maggiori dettagli su come viene eseguito l'isolamento elettrico, i tipi di isolamento elettrico e le classificazioni CAT, fare riferimento all'articolo Misura di tensione.
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Riepilogo
Ci auguriamo che questo articolo abbia ampliato la tua comprensione sugli amplificatori di segnale e sulla principale tecnologia e terminologia alla loro base. Capire come funzionano gli amplificatori di segnale e come interpretare al meglio le loro specifiche ti aiuterà sicuramente a fare la scelta più appropriata quando selezioni i sistemi DAQ.