Circuiti d’interfaccia tra analogico e digitale

I circuiti di interfaccia di cui al titolo comprendono sia le strutture per il trasferimento di segnali analogici verso sistemi digitali, sia il comando di circuiti analogici da parte di complessi digitali.

L’interfaccia da analogico a digitale

Dopo l’elaborazione di segnali analogici capita sovente di dover trasferire detti segnali nell’ambito della circuitazione digitale a scopi più diversi; le modalità di trasferimento tra analogico e digitale sono di due tipi:

Trasferimento dei segnali analogici mediante conversione A/D (analogica/digitale) che consente di trasformare i primi in numeri binari adatti ad essere trattati, ad esempio, da un computer.

Trasferimento dei segnali analogici mediante conversione di stato che consente di trasformare i segnali analogici in segnali digitali che rappresentano soltanto la polarità dei primi ( anche questo tipo di conversione può essere richiesto, ad esempio, per introdurre dati particolari in un computer).

Dei due tipi di trasferimento dei segnali analogici in digitale ci occuperemo soltanto del secondo dato che il primo riguarda quasi esclusivamente le tecniche digitali che non fanno parte del presente corso.

Il trattamento dei segnali analogici, per il trasferimento alle strutture digitali, del quale ci occuperemo và sotto il nome di Tecniche di limitazione d'ampiezza.

L'impiego delle tecniche di limitazione d'ampiezza

Tra le innumerevoli applicazioni di questa tecnica una riveste un'importanza fondamentale nella realizzazione di circuiti di correlazione per la rivelazione dei segnali analogici nelle tecniche di scoperta dei bersagli navali con il sonar.

Limitazione d’ampiezza di un segnale sinusoidale

Prendiamo in esame il caso in cui sia da convertire, in due stati, un segnale analogico al fine di inserirlo in un circuito digitale che, come tale, lo richieda a livelli compresi tra $0\ V\ e\ +5\ V.$

Per comprendere di quale operazione fisica si tratti e quali siano le forme d’onda che intervengono in questo tipo di operazione analizziamo la figura 1

figura 1

Nella figura 1 è tracciato, in alto, un segnale analogico a caratteristica sinusoidale che si sviluppa tra il massimo di tensione di picco positiva, $+Vp,$ ed il massimo di tensione di picco negativa –$Vp$; sotto il segnale sinusoidale è tracciato ciò che resta di esso dopo il “taglio” in ampiezza, sia dei picchi positivi, sia dei picchi negativi.

Questo nuovo segnale, detto “segnale analogico limitato d’ampiezza”, se da un lato perde le informazioni legate al profilo dell’ampiezza del segnale originale ne mantiene però una caratteristica fondamentale costituita dai tempi di passaggio del segnale stesso attraverso lo zero.

I circuiti logici non accettano, però, il “segnale analogico limitato d’ampiezza” dato che esso si sviluppa tra livelli positivi e negativi, detto segnale deve ulteriormente essere modificato affinché le sue caratteristiche elettriche siano adatte alla circuitazione digitale.

Con una opportuna traslazione di livello, verso le tensioni positive, il segnale limitato assume la caratteristica del “segnale digitale a due stati” che, sviluppandosi tra livello zero e livello $+5\ V$, è adatto ad essere trasferito alla circuitazione digitale; anche questo segnale porta l’informazione dei tempi di passaggio per lo zero del segnale originale.

Limitazione d’ampiezza di un segnale di rumore

Se il segnale analogico è costituito da una banda di frequenze ( tensione di rumore ) il processo di trattamento ed i concetti esposti in precedenza sono identici, un’indicazione grafica di questo caso è illustrata in figura 2

figura 2

In questo nuovo esempio grafico è mostrato il segnale analogico che, essendo a larga banda, è caratterizzato da un’onda irregolare fluttuante, casualmente nel tempo, sia in ampiezza che in polarità; la limitazione d’ampiezza di questo segnale genera un’onda rettangolare che, riportando fedelmente gli intervalli di passaggio per lo zero dell’onda originale, presenta, per questa ragione, semiperiodi di durata diversa tra loro, infine il segnale digitale a due stati ottenuto per traslazione d’ampiezza dal segnale limitato.

In questo particolare trattamento dei segnali analogici è di fondamentale importanza trasferire con precisione alla circuitazione digitale la durata dei tempi tra i diversi passaggi per lo zero del segnale analogico originale; questa caratteristica si può ottenere soltanto se il circuito, che trasforma il segnale originale nel segnale limitato d’ampiezza, è sufficientemente sensibile alle piccole tensioni che si verificano attorno ai passaggi dello zero ed è sufficientemente veloce nel rispondere a tali eventi, così come è mostrato nella figura 3

figura 3

Nella figura 3 è mostrato, in basso, un segnale analogico, ed in alto, un ingrandimento ideale che consente di vedere come può avvenire la discriminazione del livello da parte di un adatto circuito.

Il segmento inclinato, tracciato nell’ingrandimento, è la porzione di segnale che attraversa lo zero, il segmento verticale a tratto spesso ne rappresenta la posizione di passaggio, le righe parallele, indicate con i simboli $liv1\ ;\ liv2\ ;\ liv3$ , rappresentano, a titolo dimostrativo, i diversi livelli di sensibilità raggiungibili.

Se per trasferire il tempo di passaggio per lo zero si utilizza un comparatore (si veda lezione 10^ della stessa materia) con un errore $D=lv3$ , l’errore sarà sensibile; se il comparatore consentirà un errore $D=lv2$ , l’errore nel trasferimento del tempo sarà inferiore del precedente, in ultimo con un $D=lv1,$ potremo avere la migliore condizione di rilevamento tra le tre indicate.

Limitazione d'ampiezza con circuiti integrati comparatori

Sono disponibili in commercio, per la limitazione d'ampiezza, particolari microamplificatori ad elevata velocità di transizione e bassi errori; l’impiego di uno di questi circuiti integrati è mostrato in figura 4.

figura 4

In figura 4. è riportato lo schema elettrico d’impiego di un comparatore tipo LM139A che, come si può osservare, è estremamente semplice; l’integrato riceve, tramite $R1$, il segnale analogico da trasformare in due stati sull’ingresso non invertente, questo ingresso è protetto con i diodi $D1\ e\ D2$ qualora il segnale analogico superi i livelli massimi ammessi dall’integrato.

L’ingresso non invertente è collegato a massa; in questo caso la massa rappresenta il livello di riferimento $Vref=0$ poiché la comparazione avviene per livelli di tensione prossimi allo zero.

Il terminale d’uscita dell’integrato è connesso, all’interno dello stesso, a un transistore a collettore aperto che consente di avere in uscita il livello logico voluto grazie alla resistenza $R2$ collegata alla tensione di alimentazione del circuito digitale servito ( nella figura il livello logico fornito è di $+5\ V$).

Le tensioni d’alimentazione $Va$ e - $Va$ possono essere scelte in una ampia gamma di valori compresi tra $+2\ Va+36\ V.$

I valori del fuori zero di LM139A, dichiarati dal costruttore, sono di $\pm 2\ mV$ e il ritardo nella risposta è inferiore a $1.5\ \mu s.$

Tra i molti pregi di questo integrato s’aggiunge il fatto che all’interno di un unico contenitore sono disponibili quattro sezioni funzionali uguali che consentono, se necessario, un notevole risparmio di spazio nella realizzazione di circuiti di comparazione multipli.

Le caratteristiche generali rendono questo circuito idoneo per molte applicazioni; data la sua naturale semplicità nessun esempio di calcolo è necessario per il suo impiego.

Una particolarità interessante del circuito di figura 4 deriva invece dal al fatto che la tensione d’alimentazione –$Va$ può essere eliminata collegando il terminale negativo a massa, con un modesto decadimento della precisione di comparazione; questa soluzione può essere d’aiuto nei casi in cui sia dispendioso disporre di doppie tensioni d’alimentazione, come ad esempio negli apparati portatili con circuiti alimentati a batterie.

Circuiti analogici comandati da sistemi digitali

Il problema del comando di circuiti analogici da parte di sistemi digitali si pone frequentemente, sia quando i due coesistono nello stesso apparato, sia quando i primi debbano essere collegati con l’esterno come nel caso di connessione ad un personal computer.

Nei successivi sotto paragrafi prenderemo in esame tre fra gli innumerevoli casi che si possono presentare.

Il circuito integrato per comandi digitali

Un dispositivo per comandi digitali su circuiti analogici viene illustrato per la prima volta nell’ambito del presente corso; si tratta di un integrato che è in grado di ricevere, contemporaneamente, sia segnali analogici che digitali; il componente in oggetto è il tipo CD4016 del quale, una sezione su quattro, è mostrata in figura 5.

figura 5

L’integrato in oggetto si comporta, ai fini del segnale analogico applicato, come un interruttore che si chiude o si apre a seguito di un adatto comando digitale.

Il segnale analogico applicato al terminale (i) viene trasferito all’uscita (u) quando il comando digitale applicato al terminale (d) assume uno stato logico alto ( ad esempio $+5\ V$); se il comando digitale assume un comando logico basso ( $0\ V$) l’integrato non consente il passaggio del segnale.

In fase di trasferimento del segnale l’integrato offre una resistenza molto bassa, dell’ordine di $500\ \Omega$), in fase di non trasferimento il segnale viene bloccato da una resistenza dell’ordine di alcuni mega Ohm.

Il nuovo integrato funziona con unica tensione d’alimentazione compresa tra $+3\ e\ +18\ Vcc.$)

Il CD4016, se impiegato in assenza di altri circuiti ausiliari, così come in figura 5 , può essere utilizzato soltanto per il transito di segnali analogici positivi e non è perciò adatto al passaggio di segnali alternati che oscillano tra valori positivi e negativi.

L'amplificatore a guadagno controllato

Se il CD4016 viene collegato opportunamente ad un microamplificatore, così come è mostrato in figura 6, esso è utilizzabile per qualsiasi tipo di segnale analogico.

figura 6

Il circuito mostra il CD4016 inserito nel punto di controreazione del microamplificatore; come è noto tale punto è ad impedenza molto bassa, così che le tensioni in esso circolanti sono molto piccole, e quindi irrilevanti dal punto di vista della polarità, per il nuovo integrato.

Nello schema è tracciato il segnale analogico d’ingresso, che si estende da $+Vp\ a\ {-}Vp$, e il comando digitale, che si estende da $0\ V\ a\ +5\ V,$ dalla cui durata dipende la durata del passaggio del segnale attraverso l’interruttore elettronico.

Il CD4016 è alimentato con una tensione $Va=+5\ V.$

Per avere un miglior funzionamento del circuito è necessario che $R2$ sia almeno $10$ volte la resistenza di conduzione dell’interruttore, in tal caso il guadagno dell’amplificatore è dato dal rapporto:

$G=R1/R2$

Dallo schema di base, che mostra l’inserimento del nuovo integrato, deriva lo schema finale del circuito che costituisce l’ amplificatore a guadagno controllato da comandi digitali di figura 7

figura 7

Il circuito è formato da un microamplificatore $\mu A$ la cui rete di controreazione è realizzata con quattro interruttori elettronici ( integrati in un unico contenitore ), da cinque resistenze $R2\ ;\ R2.0\ ;\ R2.1\ ;\ R2.2\ ;\ R2.3$ e dal condensatore d’isolamento $C1.$

Il segnale da amplificare è applicato contemporaneamente alle quattro resistenze e da queste, attraverso gli interruttori che verranno chiusi dal comando digitale , all’ingresso invertente di $\mu A$.

Il guadagno sarà subordinato dal numero delle resistenze che gli interruttori elettronici collegheranno in parallelo tra loro.

Il comando digitale è formato da quattro linee $Ao\ ;\ A1\ ;\ A2\ ;\ A3$ che potranno essere ciascuna o a livello $0$ o a livello $+5\ V$ in dipendenza del guadagno da attribuire al circuito.

Se supponiamo inizialmente che le cinque resistenze d’ingresso siano uguali tra loro:

$R2=R2.0=R2.1=R2.2=R2.3=R$ il guadagno dell’amplificatore, definibile in base allo stato logico delle linee, è illustrato dalla tabella seguente:

Il comando digitale potrà pervenire al circuito d’amplificazione o da dispositivi facenti parte della stessa struttura elettronica, o da altre strutture esterne tra le quali anche personal computer ( si veda appendice A5).

Proposta di un esercizio

Sia da dimensionare un amplificatore a guadagno variabile a passi uguali di $6\ dB$ , su comando di $4$ linee digitali, partendo da un guadagno iniziale fisso di $20\ dB\ (10\ volte)$ per raggiungere un guadagno massimo di $44\ dB\ (158\ volte)$ alla frequenza di $350\ Hz.$

Il circuito dovrà presentare una resistenza d’ingresso non inferiore a $100000\ \Omega$ ed accettare un segnale massimo d’ampiezza $Vi=0.5\ Veff.$

Impostazione della tabella dei guadagni:

In base ai dati richiesti s’imposta la tabella dei guadagni iniziando con la prima riga, in corrispondenza allo stato $0\ V$ di tutte le quattro linee, con il valore inferiore richiesto pari a $+20\ dB\ (10\ volte)$ :

Con riferimento alla figura 7 i valori calcolati delle resistenze sono:

 R2.3 = 4700 Ohm
 R1 = 80 * R2.3 = 80 * 4700 Ohm = 376000 Ohm   
 R2 =   R1 / 10 =  376000 Ohm  / 10 = 37600 Ohm
 R2.0 = R1 / 10 = 376000 Ohm / 10  =  37600  Ohm
 R2.1 = R1 / 20 = 376000 Ohm / 20 = 18800 Ohm
 R2.2 = R1 / 40 = 376000 Ohm / 40 = 9400 Ohm

Impostare le relazioni a giustificazione dei valori esposti per la rete di resistenze, per il valore della resistenza d'ingresso e dalla capacità $C1.$