Circuiti integrati per acquisizione dati

IC ANALOGICI –

L’acquisizione dati e il condizionamento del segnale rappresentano una delle funzionalità più importanti dei sistemi embedded, dato che questi sistemi tendono ad interagire in maniera preponderante con il mondo fisico.

L'acquisizione dati è un processo che, tramite il campionamento dei segnali fisici (temperatura, pressione, movimento, ecc.), consente di misurare in forma numerica le variazioni dei fenomeni fisici. In tal modo i sistemi di elaborazione numerica possono eseguire calcoli utili ad attuare azioni di controllo. Il processo di conversione da analogico a digitale dei segnali fisici richiede, altre ad una adeguata tecnologia elettronica a segnali misti, anche una sofisticata elettronica analogica finalizzata al “condizionamento” del segnale prima della fase di conversione. Un sistema di acquisizione dati prevede dunque i seguenti componenti: sensori per la conversione di segnali fisici in equivalenti elettrici; circuiti analogici per il condizionamento del segnale; convertitori analogico/digitale per ottenere la misura numerica dell'ampiezza del segnale fisico. Il sottosistema di conversione analogico-digitale è una parte molto importante dei sistemi embedded, soprattutto quelli di ultima generazione che hanno come requisiti stringenti la velocità e la precisione. Questi due requisiti sono contrastanti fra loro e solo soluzioni tecnologiche e di architettura adeguate possono portare a soluzioni accettabili e utili alle applicazioni.

L'acquisizione dati ad alta velocità
L'acquisizione dati ad alta velocità viene utilizzata in una grande varietà di applicazioni con caratteristiche real-time, in particolare applicazioni di elaborazione analogica del segnale trasformate in equivalenti applicazioni di elaborazione numerica del segnale. Queste applicazioni richiedono l'utilizzo di convertitori analogico/digitale particolarmente veloci ed efficienti e di processori digitali di segnale particolarmente potenti dal punto di vista computazionale. Rispetto alla soluzione analogica, quella digitale consente di ottenere vantaggi molto importanti per le applicazioni embedded, come la riduzione dei costi, l'implementazione di algoritmi di elaborazione del segnale molto più complessi di quelli analogici e soprattutto la possibilità di ridefinizione del sistema tramite il software. L'alta velocità  nell'acquisizione dati implica problematiche legate alla conversione analogico/digitale, quindi alla disponibilità di  dispositivi Adc sotto forma di circuiti integrati ad altissime prestazioni. Per la scelta di tali componenti è necessario conoscere molto bene la natura del processo di campionamento (vedi riquadro) e i meccanismi di distorsione che questo implica. L'architettura di conversione analogico/digitale è fondamentale per le applicazioni caratterizzate da elevata velocità di campionamento. L'architettura di conversione ad approssimazioni successive, o Sar, è stata utilizzata per decenni ed è attualmente una delle più diffuse. Si tratta di un'architettura relativamente semplice, quindi economica, in quanto tende ad utilizzare il minor numero possibile di comparatori (idealmente un solo comparatore). Essendo un'architettura seriale, questa consente di soddisfare solo applicazioni di media velocità e di media risoluzione (l'alta risoluzione in questa tipologia di convertitori penalizza la velocità). L'alta velocità richiede parallelismo, quindi architetture che fanno operare in parallelo più dispositivi di conversione a bassa risoluzione. I convertitori Adc flash sono i più veloci in quanto implementano un'architettura di quantizzazione ad altissimo parallelismo. Un Adc flash a N bit richiede 2N resistori e 2N-1 comparatori. Data questa complessità di ordine esponenziale rispetto alla precisione, i convertitori Adc flash hanno una risoluzione non superiore ai 10 bit e una frequenza di conversione fino a 500 Msps.
Per esempio, le applicazioni di comunicazione ad elevato data rate utilizzano più dispositivi Adc ad alta velocità per la quadrature demodulation (per esempio nei set-top box per il direct broadcast satellite). Il parallelismo in questo caso è la soluzione reale al problema della velocità. Più dispositivi di conversione a bassa risoluzione operano in parallelo. Operando in tal modo, nel caso più parallelo possibile, in un solo ciclo di conversione è disponibile il codice binario oggetto della conversione. Il caso più estremo è quello che utilizza convertitori a un solo bit (in pratica comparatori). La quantità di comparatori pari alla potenza di due del numero di bit di conversione (per esempio, 8 bit di precisione implicano 256 comparatori). Questa è ovviamente una soluzione molto onerosa in termini di embedding, per cui altre soluzioni più economiche e ugualmente efficienti vengono proposte, per esempio i convertitori subranging. I subranging Adc sono una combinazione di Adc flash a bassa risoluzione in configurazione a due livelli. I convertitori Adc flash a bassa risoluzione operano con uno schema serie-parallelo su una porzione del range totale. Quando il primo convertitore flash termina la conversione, il suo codice viene convertito in analogico con un Dac e sottratto al segnale analogico, determinando un residuo che viene convertito dal secondo Adc flash, il quale ottiene la parte di codice residuo. Questa architettura di conversione è soggetta ad errori e quindi utilizzano una tecnica chiamata “digital correction” che consente di rimuovere tali errori. Tale architettura è anche denominata “pipelining” in quanto, i blocchi Adc flash a bassa risoluzione operano in una modalità parallela “differita” in quanto a parità di  clock tutti gli stati di conversione operano in parallelo, ma su segnali determinati dagli stadi precedenti. In tal modo un Adc subrange a 3 stadi richiede almeno tre cicli di clock per il completamento di una conversione (latenza).

I front end analogici
Molte applicazioni si interfacciano con il mondo analogico e sono di natura ultra-embedded. Le prestazioni richieste al sistema di conversione analogico-digitale sono molto elevate, sia in termini di frequenza di campionamento, sia in termini di precisione. Queste prestazioni in un conteso ultra-embedded (per esempio i dispositivi medicali indossabili), richiedono un livello di integrazione molto spinto soprattutto sulla parte analogica e mixed-signal.  Gli analog front-end sono senza dubbio la risposta a queste esigenze implementative di ultima generazione. Si tratta di veri e propri system-on-chip, in quanto integrano su un solo chip tutto il sottosistema analogico-digitale, inclusa la parte di condizionamento del segnale, quest'ultima tutta di natura analogica. Un esempio particolarmente avanzato di analog front-end è il dispositivo ADS1298R di Texas Instruments che integra un sistema di conversione analogico-digitale a 8 canali indipendenti, a 24 bit e 32 kSps insieme a un sistema analogico di condizionamento del segnale come il Pga (Programmable Gain Amplifier), uno per ogni canale e tutta la circuiteria di interfaccia necessaria per connettersi a un microcontrollore. La peculiarità di questo analog front-end è quella di integrare su un solo chip tutta la funzionalità analogica, mixed-signal e digitale necessaria alla implementazione di sistemi di acquisizione ed elaborazione di segnali bielettrici. Simili prestazioni di sistema in termini di componentistica discreta, anche se ad alta integrazione, richiederebbero dimensioni, costi e consumi di potenza elettrica non compatibili con le applicazioni di natura ultra-embedded. Gli analog front-end stanno diventando sempre più diffusi in campi applicativi dove i requisiti embedded sono molto stringenti, per esempio nel metering e la comunicazione. Un esempio per il metering è il MAXQ3180 di Maxim, un front-end dedicato che consente di acquisire e calcolare la tensione, la corrente, la potenza, l'energia, e molte altre grandezze misurabili di un carico polifase e trasmettere le misure trami Spi (Serial peripheral interface). Il MAXQ3180 esegue le misure di tensione e corrente utilizzando un Adc capace di misurare fino a sette coppie di segnali differenziali. Una ottava coppia di segnali differenziali viene utilizzata per misurare la temperatura del chip. Un amplificatore automatico interno regola il guadagno di canale per compensare i livelli bassi di corrente di canale. Un altro esempio è il MAX2991 Plc Analog Front End di Maxim, per le applicazioni di comunicazione sulle linee di alimentazione (Power line communication) caratterizzato da un livello di integrazione molto elevato che porta benefici in termini di costo e di prestazioni del sistema finale. Questo front-end essendo specificamente progettato per applicazioni che modulano il segnale in modalità Ofdm sulle linee di alimentazione, integra tutta la necessaria funzionalità analogica.

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