Selettore di canali controllato da comandi digitali

Schema di un circuito selezionatore

Un circuito di selezione tra canali portanti segnali analogici controllato da comandi digitali è mostrato nello schema di figura 1

figura 1

La struttura del circuito è simile a quella di figura 7 relativa alla 14^ lezione della stessa materia, con la differenza che la funzione dei quattro interruttori elettronici è qui studiata affinché alla chiusura di ciascuno corrisponda il passaggio di un solo segnale selezionato secondo la seguente tabella di commutazione:

Linea	A0 	A1	A2	A3	Segnale  abilitato al transito 
stato	+5V	  0V	  0V	 0V	 S0
stato	 0V	 +5V	  0V	 0V	 S1
stato	 0V	  0V	 +5V	 0V	 S2
stato	 0V	  0V	  0V	+5V	 S3 

Le resistenze d'ingresso $Ri=R2.0\ ;\ R2.1\ ;\ R2.2\ ;\ R2.3$ , tutte uguali tra loro, devono avere un valore di almeno $10\ volte$ la resistenza di conduzione dell’interruttore elettronico.

Il guadagno del circuito, su ciascun canale abilitato, è dato dal rapporto:

$G0=R1/Ri$

Il condensatore $C1$ è utile qualora, richiesti guadagni in corrente alternata elevati, si voglia contenere il fuori zero d’uscita.

Nel caso invece in cui i segnali d’ingresso siano in corrente continua il condensatore $C1$ non deve essere inserito e si deve collegare direttamente l’uscita comune degli interruttori all’ingresso invertente di $\mu A.$

Dettagli del circuito

Il circuito di figura 1 ha il compito di prelevare, in continuità, campioni temporali di alcuni segnali per formarne una “stringa” nella quale i campioni stessi sono collocati l’uno dopo l’altro nel tempo; un esempio di una di queste stringhe è mostrato in figura 2:

figura 2

Nella figura si vedono, ad iniziare dall’alto, quattro segnali analogici $S0\ ;\ S1\ ;\ S2\ ;\ S3$ ciascuno dei quali, in un tempo prefissato, $to$ , viene “campionato” (ne viene prelevata una piccola porzione contenuta, rispettivamente, in rettangolini con le sigle $C0\ ;\ C1\ ;\ C2\ ;\ C3$ dopo l’operazione di campionamento i quattro campioni vengono affiancati nel tempo creando un unico segnale “stringa” che contiene le informazioni temporali, della durata $to$ , dei quattro segnali originali.

Questo risultato si ottiene quando i quattro segnali sono applicati ai corrispondenti ingressi; la stringa è disponibile all’uscita di $\mu A$ ; la “stringa” si sviluppa per la serie dei tempi di cambiamento degli stati logici delle linee di comando digitali, ciascuno della durata $to$ , che si inseguono, ad alta velocità, secondo la sequenza:

Linea	 A0 	 A1	A2	A3  Tempo di durata
stato	+5V	 0V	0V	0V	  To
stato	  0V	+5V	0V	0V	  To
stato	  0V	 0V    +5V	0V	  To
stato	  0V	 0V	0V     +5V	  To

Se ad esempio la durata del tempo di ciascuno stato logico a $+5\ V$ è di $1\ ms,$ la lunghezza della stringa è di

$T=to\cdot 4=1\ ms\cdot 4=4\ ms$.

Questa operazione, che deve essere eseguita in continuità, vede gli stati logici delle linee di comando presentare nel tempo una ripetizione delle sequenze, indicate in tabella, ad un ritmo della durata:

$Tc=4\cdot to$

ovvero ad una frequenza di ripetizione di

$Fc=1/Tc=1/(4\cdot to)\ Hz$

Se ad esempio la durata di un campione è di $to=0.3\ ms$

la frequenza di ripetizione risulta di:

$Fc=1/(0.3\ ms.\cdot 4)=833\ Hz$

questo valore di frequenza è indicato come “frequenza di campionatura”; ciò a indicare che i segnali $S0\ ;\ S1\ ;\ S2\ ;S3$ vengono campionati alla frequenza $Fc=833\ Hz.$

Cenni sulle frequenze di campionatura

A titolo informativo è utile sapere che nei processi di campionatura il valore di $Fc$ deve essere superiore al doppio della frequenza massima della banda che caratterizza i segnali analogici applicati all’ingresso del serializzatore.

La problematica è affrontata con un semplice esercizio:

Dati del problema

Si vogliano campionare, mediante il serializzatore, tre segnali analogici definiti rispettivamente nelle bande:

$S1\$ in banda $\ 100\ ;\ 160\ Hz$

$S2\$ in banda $\ 1000\ ;\ 1400\ Hz$

$S3\$ in banda $\ 500\ ;\ 1000\ Hz$

Si stabilisca il valore del tempo $to$ da assegnare allo stato alto , +5V, di ciascuna delle tre linee digitali di comando.

Esame del segnale con la frequenza superiore della banda più elevata

Dovendo campionare i tre segnali con lo stesso circuito di serializzazione questo deve essere commisurato alla frequenza più elevata $Fs$ da trattare; da i dati del problema tale frequenza risulta far parte della banda del segnale $S2,$ banda che si estende da $1000\ a\ 1400\ Hz,$ quindi $Fs=1400\ Hz.$

Calcolo della frequenza di campionatura

Per quanto si è accennato in precedenza, la frequenza di campionatura $Fc$ deve essere superiore al doppio della frequenza massima $Fs$ da trattare per cui:

$Fc>2\cdot Fs$

essendo

$2\cdot Fs=2\cdot 1400\ Hz=2800\ Hz$

si può porre $Fc=3000Hz$

Calcolo del tempo $to$

Avendo posto $Fc=3000\ Hz$ il tempo di campionatura, intervallo tra un campione di $S$ ed il successivo sarà:

$Tc=1/Fc=1/3000\ Hz=333\ ms$

Essendo necessario campionare tre canali, il tempo da dedicare all’apertura di ciascun canale è dato dal tempo di ripetizione $Tc$ diviso per il numero dei canali, quindi:

$to=Tc/3=333\ ms/3=110\ ms$

Diagrammi delle tensioni all'uscita da un serializzatore

In figura 3 si mostra il grafico della tensione all'uscita di un serializzatore preposto alla costruzione di stringhe relative ad un insieme di 36 segnali, di diversa ampiezza, in c.c. $So...S35$

figura 3

Naturalmente essendo impegnali 36 canali i comandi digitali del serializzatore dovranno avere altrettanti dati di comando: $Ao...A35$

Se l'uscita del serializzatore è opportunamente filtrata, dalla figura 3 si passa alla figura 4

figura 4

Se i 36 segnali in c.c. sono affetti da sensibili disturbi questi si ripercuoteranno nella tensione all'uscita del filtro.

Una interessante immagine oscilloscopica di questo tipo di situazione è mostrata in figura 5:

figura 5

La fotografia mostra il massimo segnale a livello $S=1$ ed il disturbo a livello $N=5$