Come Funziona un Misuratore PMMC (Permanent Magnet Moving Coil)

Il misuratore PMMC (Permanent Magnet Moving Coil) è un dispositivo che trasforma una corrente elettrica in un movimento angolare di un ago su una scala graduata, utilizzato principalmente come amperometro analogico. Esso sfrutta il principio della forza di Lorentz, che agisce su una bobina conduttrice immersa in un campo magnetico. Vediamo in dettaglio come avviene il funzionamento.

La bobina del misuratore PMMC è una struttura rettangolare avvolta con filo di rame o alluminio sottile e contiene N spire. La bobina è montata su due steli, uno superiore e uno inferiore, che consentono il movimento angolare della bobina stessa. Questi steli sono fissati a perni che permettono alla bobina di ruotare liberamente tra due pezzi polari semi-circolari. Il movimento della bobina è contenuto in uno spazio anulare generato tra questi pezzi polari e un cilindro centrale ferromagnetico. La bobina è ulteriormente vincolata da due molle a spirale (chiamate comunemente "molle di capello") che limitano la rotazione.

Quando una corrente I scorre attraverso la bobina, la forza di Lorentz genera un momento torcentale che tende a far ruotare la bobina. Questo momento torcentale è dato dalla relazione:

dove $W_c$ è la larghezza della bobina, $l_p$ è la lunghezza della parte della bobina che interagisce con il flusso magnetico, $B$ è la densità del flusso magnetico, e $I_x$ è la corrente che attraversa la bobina.

Nel caso di N spire, il momento totale generato dalla corrente è dato da:

Poiché la bobina può essere composta da più strati di filo, la distanza media tra le spire varierà, ma la formula del momento torcentale rimarrà comunque una funzione della corrente che attraversa la bobina e delle caratteristiche fisiche della bobina stessa.

Una volta che la bobina ruota, il momento torcentale generato dalla corrente agisce contro il momento di restauro delle molle, il quale è proporzionale all'angolo di rotazione, secondo la relazione:

Il misuratore PMMC quindi traduce la corrente in un movimento angolare dell'ago, che può essere facilmente misurato su una scala graduata posta sotto l'ago. L'angolo di deflessione è proporzionale alla corrente, e la sensibilità del dispositivo dipende dalla costante del misuratore $K_M$, che è determinata dalla geometria della bobina, dalla densità del flusso magnetico e dalle proprietà elastiche delle molle.

Full Scale, Risoluzione e Sensibilità

La sensibilità di un misuratore PMMC è definita come il rapporto tra l'uscita angolare (in gradi) e l'ingresso della corrente (in microampere), quindi per un misuratore con una risoluzione di 1 μA in 100 μA, la sensibilità sarebbe di 1/100.

Caratteristiche Statiche e Dinamiche

Dal punto di vista elettromeccanico, il misuratore PMMC presenta sia componenti elettrici (la bobina e il campo magnetico) sia componenti meccanici (le molle, gli steli e la bobina rotante). La bobina stessa è un sistema rotante con un momento d'inerzia $J_c$ e una certa resistenza al movimento, che dipende dalla viscosità del sistema di smorzamento. Quando la corrente fluisce attraverso la bobina, la velocità con cui si stabilizza l'angolo di deflessione dipende dalle caratteristiche dinamiche, in particolare dal comportamento smorzante e dalla costante di torsione delle molle.

Nel progettare il misuratore PMMC, è fondamentale tenere conto delle caratteristiche statiche, come la linearità della scala, e delle caratteristiche dinamiche, come la risposta al cambiamento della corrente nel tempo. Se il dispositivo è troppo lento a rispondere (a causa di un eccessivo smorzamento o di un momento di inerzia troppo alto), la misura della corrente potrebbe risultare imprecisa, soprattutto in presenza di correnti variabili rapidamente.

Come Funziona il Cambio tra Modalità "Alternate" e "Chopped" negli Oscilloscopi a Doppio Tracciato

Un oscilloscopio a doppio tracciato offre la capacità di visualizzare simultaneamente due segnali differenti, una caratteristica particolarmente utile per analizzare segnali che sono correlati o per studiare il comportamento di circuiti complessi. Le modalità principali in cui operano questi oscilloscopi sono la modalità "Alternate" (ALT) e la modalità "Chopped" (CHP), ognuna delle quali presenta caratteristiche specifiche che influiscono sulla rappresentazione dei segnali e sulle possibilità di misura.

Modalità Alternate (ALT)

Nella modalità "Alternate", l'oscilloscopio alterna tra i due canali (y1 e y2) durante ogni ciclo di scansione orizzontale. In questo modo, durante una scansione orizzontale, viene mostrato il segnale del canale y1, mentre nella scansione successiva, il canale y2 è visualizzato. L'oscilloscopio esegue questa alternanza in modo tale che i segnali y1 e y2 appaiano alternati sullo schermo, ma non simultaneamente. Di conseguenza, le misurazioni correlate tra i due canali non sono possibili, poiché ogni segnale è mostrato in momenti diversi.

In questa modalità, il controllo del segnale di trigger (vs1) ha una frequenza pari alla metà (o meno della metà, se esiste un periodo di stop tra i trigger) della frequenza della rampa di deflessione orizzontale. È necessario un segnale di trigger per avviare la scansione, e il selettore interno (S2) determina quale tra i due segnali, y1 o y2, funge da input per il circuito di trigger. L'oscilloscopio mostrerà i segnali in momenti distinti e quindi è possibile aggiungere degli offset DC ai segnali per separare visivamente i tracciati lungo l'asse delle ordinate, come illustrato nei diagrammi di Fig. 7.22.

Modalità Chopped (CHP)

Nella modalità "Chopped", invece, il selettore S1 è comandato da un segnale ad alta frequenza, generalmente con un ciclo di lavoro del 50%. Questo significa che il canale y1 viene visualizzato per metà del periodo del segnale di clock e il canale y2 per l'altra metà. I due segnali sono quindi "tagliati" e alternati molto rapidamente durante ogni ciclo di scansione orizzontale, creando un'immagine di entrambi i segnali sullo schermo in un'unica scansione.

Nel caso della modalità "Chopped", la frequenza del segnale di clock è tipicamente circa dieci volte superiore a quella di uno dei canali, come illustrato in Fig. 7.23. La modalità di commutazione tra i canali, quindi, può essere invertita in base al periodo di scansione (pari o dispari), il che permette di "riempire" i vuoti lasciati dalla commutazione rapida. Come per la modalità "Alternate", è possibile applicare offset DC ai canali per separare visivamente i tracciati sullo schermo, ma è fondamentale utilizzare il segnale di blanking per evitare artefatti visivi durante i periodi di commutazione.

Confronto tra le due modalità

La differenza fondamentale tra la modalità "Alternate" e quella "Chopped" risiede nel modo in cui i segnali vengono visualizzati. La modalità "Alternate" è ideale per osservare segnali che hanno periodi relativamente lunghi e ben definiti, ma può risultare inadatta per segnali ad alta frequenza dove l'alternanza potrebbe non essere sufficientemente rapida per una visualizzazione continua. La modalità "Chopped", al contrario, è più adatta per segnali con periodi brevi e frequenze elevate, poiché le commutazioni rapide tra i canali consentono di visualizzare i segnali senza interruzioni evidenti.

Oscilloscopi a Doppio Tracciato e Doppio Base Temporale

Un'ulteriore evoluzione dell'oscilloscopio a doppio tracciato è l'oscilloscopio a doppia base temporale. Questo strumento offre la possibilità di avere due generatori di scansione separati, uno principale (Main Sweep) e uno ritardato (Delayed Sweep), ciascuno con una durata di periodo regolabile. L'oscilloscopio a doppia base temporale è particolarmente utile per analizzare fenomeni temporali complessi, come glitch o disturbi transitori, che potrebbero non essere visibili con un singolo periodo di scansione. In queste situazioni, la scansione principale visualizza il ciclo completo del segnale, mentre la scansione ritardata consente di esaminare dettagli più fini, come evidenziato in Fig. 7.25.

Questa caratteristica è essenziale per il controllo di circuiti ad alta velocità o per l'analisi di segnali che includono piccole anomalie, permettendo una visione simultanea dell'intero ciclo del segnale e delle sue variazioni transitorie. Tuttavia, va notato che gli oscilloscopi a doppia base temporale non sono così diffusi come i modelli a doppio tracciato, in quanto sono strumenti più specializzati e generalmente più costosi.

Prove e Impedenza degli Oscilloscopi

Inoltre, gli oscilloscopi sono dotati di una impedenza di ingresso standard di 1 MΩ e una sensibilità minima di 5 V/div, il che limita la capacità di visualizzare segnali ad alta tensione direttamente. Per affrontare questo problema, esistono le "sonde" per oscilloscopio, che permettono di ridurre la tensione in ingresso tramite un divisore di tensione (ad esempio, un divisore 10:1). Questo tipo di sonda è fondamentale quando si desidera esaminare segnali con ampiezze superiori a quelle che l'oscilloscopio è in grado di gestire senza il rischio di danneggiarlo.

Concludendo, l'uso delle modalità "Alternate" e "Chopped", insieme alla possibilità di impiegare un oscilloscopio a doppia base temporale, fornisce agli ingegneri e ai tecnici gli strumenti necessari per una analisi precisa di segnali complessi. La comprensione delle specifiche di ciascuna modalità e delle caratteristiche del proprio oscilloscopio è fondamentale per ottenere misurazioni accurate e interpretazioni affidabili dei segnali elettronici.

Qual è la velocità di conversione e l'efficienza degli ADC SAR?

Un'altra tipologia comune di ADC è l'ADC basato sul registro di approssimazione successiva (SAR). Questo tipo di convertitore utilizza un approccio sequenziale per determinare il valore digitale corrispondente a un segnale analogico, operando tramite un processo che coinvolge sia un convertitore digitale-analogico (DAC) che un comparatore. Il diagramma di blocco di un ADC SAR a N bit (come illustrato nella Figura 9.5) mostra chiaramente come il processo di conversione avvenga in più fasi.

Il SAR inizia con l'assegnazione di uno stato iniziale, seguito da un processo di test di ciascun bit, partendo dal bit più significativo (MSB). Il DAC converte l'uscita digitale del SAR (un numero binario) in un voltaggio analogico, che viene successivamente confrontato con il segnale di ingresso tramite un comparatore. Se il voltaggio di ingresso è maggiore o minore rispetto al valore calcolato, il bit corrente viene impostato su 1 o 0, e si passa al successivo bit. Questo ciclo continua fino a che tutti i bit sono stati determinati.

Un aspetto importante del funzionamento di un ADC SAR è la sua capacità di completare una conversione in un numero relativamente ridotto di cicli di clock. La conversione avviene in un totale di (N + 2) cicli, dove N è il numero di bit del convertitore. Pertanto, per un ADC SAR a N bit, il tempo di conversione minimo (T_con) è dato dalla formula:
T_con = (N + 2) * T_c,

Nel caso di un ADC SAR a 3 bit, ad esempio, la conversione avviene in 5 stati (3 bit più 2 stati finali). Il processo di conversione di un segnale analogico in digitale avviene seguendo un algoritmo sequenziale che implica un confronto tra il valore analogico di ingresso e i vari livelli di riferimento del DAC, che sono stabiliti a partire da un valore massimo di 7 V. Gli esempi pratici, come quello di un segnale in ingresso di 0 V o di 7 V, mostrano come il SAR modifica i bit in sequenza fino a determinare il valore digitale finale.

Inoltre, la velocità di conversione dipende dalla velocità del clock. Il clock deve essere sufficientemente veloce da consentire a ogni fase del processo di conversione di essere eseguita in modo corretto. I tempi di assestamento del DAC e dei componenti analogici sono cruciali nel determinare la velocità di conversione complessiva. Un approccio innovativo per ottimizzare le prestazioni di un ADC SAR moderno è l'uso di un clock a periodi progressivamente ridotti, come nel caso dell'ADC SAR a 3 bit con una scala di 7 V.

Nel design avanzato degli ADC SAR, è importante comprendere che il periodo del clock non è costante durante tutta la conversione. Il tempo necessario per l'assestamento del DAC diminuisce progressivamente man mano che si procede con la conversione dei bit meno significativi, il che permette un'ottimizzazione della velocità di conversione. Alcuni ADC SAR moderni sfruttano questo comportamento, utilizzando clock con periodi variabili che si riducono progressivamente a seconda della necessità di precisione in ciascuna fase della conversione.

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Come funziona un Convertitore Digitale-Analogico (DAC) e le sue Applicazioni

Un Convertitore Digitale-Analogico (DAC) è un dispositivo che trasforma segnali digitali in segnali analogici. Il processo è fondamentale in numerose applicazioni elettroniche, come nelle comunicazioni digitali, dove segnali come la voce o la musica devono essere trasformati da una forma digitale a una analogica per essere riprodotti attraverso altoparlanti o altri dispositivi analogici. Il DAC può essere utilizzato anche quando è necessario controllare un segnale analogico in modo digitale, ad esempio nel caso di sistemi di controllo automatico.

Esistono vari tipi di DAC, ma tra i più diffusi oggi ci sono due tipologie principali: il DAC con resistenza pesata (Weighted R DAC) e il DAC a scala R-2R (R2R Ladder DAC). Questi due sistemi rappresentano due approcci differenti alla conversione digitale-analogica, con caratteristiche tecniche e pratiche diverse.

Il problema principale di questo approccio è che il numero di resistenze necessarie cresce esponenzialmente con il numero di bit di risoluzione, il che rende difficile implementare DAC con risoluzioni superiori a 10 bit senza riscontrare difficoltà pratiche nella realizzazione dei circuiti integrati. Proprio per questa ragione, oggi i DAC con resistenza pesata sono meno utilizzati, mentre il DAC a scala R-2R è diventato lo standard nella maggior parte delle applicazioni.

Nel DAC a scala R-2R, invece, si utilizzano solo due valori di resistenza: R e 2R. Questo approccio riduce notevolmente la complessità del circuito e rende più facile la sua implementazione anche a risoluzioni più elevate. L'architettura a scala R-2R si basa su una rete di resistori e interruttori, con la corrente che scorre attraverso ogni ramo in base ai bit digitali di ingresso. A differenza del DAC con resistenza pesata, questo sistema non richiede una varietà di resistenze con valori esponenzialmente crescenti, ma solo due valori, il che rende più semplice la realizzazione e la miniaturizzazione del circuito.

Ad esempio, nel caso di un DAC a 4 bit, ogni bit contribuisce con una corrente specifica, che viene somma all'ingresso in un amplificatore operazionale (opamp) configurato come un sommatore inverting. Ogni combinazione dei bit di ingresso (b3, b2, b1, b0) porta a una corrente specifica, che determina il valore dell'uscita analogica del DAC. Se tutti i bit sono a 0, l'uscita sarà 0; se i bit sono a "0001", l'uscita sarà 1V, e così via.

In generale, i DAC a scala R-2R sono preferiti nei sistemi moderni per la loro semplicità e la loro capacità di fornire una risoluzione elevata con un numero ridotto di resistenze e componenti. La precisione di questi dispositivi dipende dalla qualità delle resistenze e dalla precisione dei circuiti di controllo. Tuttavia, mentre i DAC a scala R-2R sono efficaci per risoluzioni fino a 12 bit o più, anche in questi casi bisogna affrontare sfide legate alla dissipazione di potenza e alla stabilità termica dei componenti.

Al di là delle considerazioni puramente tecniche, è importante comprendere che la qualità di un DAC non dipende solo dalla sua risoluzione, ma anche da altri fattori come il rumore e la distorsione. Un parametro cruciale per valutare la qualità di un ADC (Analog-to-Digital Converter) o di un DAC è il rapporto segnale-rumore e distorsione (SINAD, Signal-to-Noise and Distortion Ratio). A partire dal SINAD, è possibile determinare l'ENOB (Effective Number of Bits), che indica l'effettiva risoluzione di un convertitore pratico. È importante notare che la performance di un DAC peggiora con l'aumento della frequenza di ingresso, motivo per cui i DAC vengono generalmente testati a frequenze più basse per garantire una performance ottimale.