In applicazioni di automazione industriale e controllo di processo vengono generalmente utilizzati apparati elettronici come i controllori a logiche programmabili i sistemi di controllo distribuiti, strumenti e trasmettitori di campo per grandezze come temperatura, pressione, umidità, livello. Generalmente questi apparati presentano interfacce di ingresso e uscita di tipo analogico e digitale controllate da una unità intelligente (microcontrollore) programmabile. Un'interfaccia di comunicazione consente lo scambio di dati con il mondo esterno. Il sistema si completa con un'unità di alimentazione che, oltre a fornire la potenza per i circuiti interni, è in grado di alimentare sensori esterni ed attuatori.
La generazione di segnali analogici
Il modulo di uscita analogico deve essere in grado di generare segnali in corrente e tensione mono e/o bipolari di tipo standard. Per la corrente avremo i classici 0 ÷ 20 mA, 4 ÷ 20 mA, e ±20 mA, su un carico di 500 Ω; per la tensione i segnali sono 0 ÷ 5 V, 1 ÷ 5 V, 0 ÷ 10 V, ±10 V, su un carico di 1 kΩ. Le modalità con cui progettare il modulo analogico di uscita sono diverse. Un primo approccio consiste nello scegliere il Dac opportuno e dimensionare il driver secondo le specifiche richieste utilizzando una soluzione discreta. La Fig. 2 mostra uno schema tipico in cui si impiega l'AD5664 di Analog Devices, un Dac quadruplo a 16 bit. La parte di driver in corrente e tensione è realizzata utilizzando amplificatori operazionali di precisione, come l'OP2177 e l'AD822. L'uscita del Dac è in tensione, nel range 0 ÷ 5V. Il driver di corrente è dimensionato in modo da poter generare un'uscita 0 ÷ 20 mA oppure 4 ÷ 20 mA. Il driver di tensione può essere programmato, tramite gli switch S1 e S2, per poter generare le uscite 0 ÷ 5 V, 0 ÷ 10 V, ±5 V, ±10 V. S1 consente di raddoppiare il guadagno del driver, mentre tramite S2 è possibile selezionare la modalità bipolare. L'AD5664, utilizzato in questo esempio, è un membro della famiglia denominata nanoDac. Questa famiglia si caratterizza per le dimensioni ed i consumi ridotti, pur conservando prestazioni elevate. All'interno della famiglia è possibile selezionare dispositivi singoli, doppi o quadrupli con risoluzioni che vanno da 12 a 16 bit. L'interfaccia di comunicazione può essere Spi, I2C o parallela, e possono integrare un riferimento di tensione da 5ppm% e un buffer di uscita rail to rail. La temperatura operativa è da -40°C a +125°C e la linearità può raggiungere 1LSB a 16 bit. La soluzione di Fig. 2 presenta una serie di problematiche. È necessario predisporre dei jumper o degli switch analogici per la selezione del range di uscita in tensione, la corrente di uscita non può essere bipolare, richiede un'accurata selezione della componentistica attiva e passiva per controllare gli offset e i drift in temperatura, occupa molto spazio sulla scheda. La complessità può essere semplificata notevolmente se si ricorre a dispositivi driver integrati. Ad esempio, utilizzando l'AD5750-1, lo schema si modifica come in Fiig. 3, dove viene rappresentata una soluzione a 4 canali. Come si può osservare in un unico dispositivo vengono integrati due amplificatori operazionali doppi, due Mosfet due switch e una decina di componenti passivi. Oltre all'evidente vantaggio in termini di ingombro anche le prestazioni traggono beneficio. I range di uscita che il dispositivo copre, programmabili via SW o HW, sono: per la corrente 0 ÷ 20 mA, 4 ÷ 20 mA, 0 ÷ 24 mA, ±20mA e ±24mA, e per la tensione 0 ÷ 5 V, 0 ÷ 10 V, ±5 V, ±10 V. Il range della tensione di ingresso è 0 ÷ 2.5 V, oppure 0 ÷ 4.096 V. L'errore complessivo, tenendo conto di Inl, offset, guadagno, derive dovute all'alimentazione, temperatura e invecchiamento, è pari a 0.03% Fsr (Full Scale Range) per la corrente e 0.02% Fsr per la tensione. Il dispositivo è anche provvisto di circuiti di protezione e diagnostica. Le condizioni di cortocircuito sull'uscita in tensione e circuito aperto sull'uscita in corrente sono protette; in caso si verifichi una delle suddette condizioni il pin di Fault viene asservito. Il pin di Fault viene asservito anche in presenza di altre anomalie, come ad esempio in caso di errori di interfaccia oppure nel caso in cui la temperatura di Die superi i 150°C. La tensione di alimentazione duale va da ±12 V a ±24 V. Della stessa famiglia, l'AD5751 offre uscite unipolari, ma compliance estesa a 55V. Per le applicazioni sensibili al costo L'AD5748 è una versione che offre un numero di uscite limitato e una precisione inferiore. Infine, nel caso in cui sia richiesto il solo driver di corrente è possibile utilizzare l'AD5749.
Per applicazioni che richiedono integrazioni più spinte Analog Devices offre soluzioni in cui Dac e drivers convergono in un unico dispositivo. Il capostipite della famiglia è l'AD5422, il cui schema funzionale è riportato in Figura 4. Questo dispositivo integra un Dac a 16 bit , un driver in corrente in grado di erogare 0 ÷ 20 mA, 4 ÷ 20 mA, 0 ÷ 24 mA, e Tue pari a 0.01% Fsr, un driver di tensione in grado di erogare 0 ÷ 5 V, 0 ÷ 10 V, ±5 V, ±10 V, e TUE pari a 0.01% Fsr. Al pari dell'AD5750, il dispositivo offre protezioni contro le condizioni di guasto e diagnostica. L'AD5420 è una versione con sola uscita in corrente, ma con compliance fino a 60V. Per entrambi i dispositivi sono disponibili versioni a 12bit.
Considerazioni termiche
Per realizzare una configurazione a 4 canali sono necessari un Dac quadruplo, otto operazionali doppi, 8 Mosfet, 4 switch analogici a due canali e un numero considerevole di passivi. Viene naturale pensare che lo step successivo sia l'integrazione di quattro AD5422 in un unico dispositivo; a questo punto però subentrano delle limitazioni termiche. In queste condizioni il progettista può aver previsto 20V disponibili per il carico, che in questo caso può andare da 0 a 1 kΩ, ed i restanti 4V per gestire l'headroom ed un eventuale overrange. La situazione più critica è in caso di corrente massima (20mA) e cortocircuito sull'uscita, condizione operativa consentita per il generatore di corrente. In questo caso lo stadio di uscita deve dissipare tutta la potenza pari a 24V x 20 mA = 480 mW. Nell'ipotesi di integrazione di 4 canali il dispositivo deve essere in grado di dissipare circa 2 W, una condizione gravosa per un circuito integrato. Anche il progetto termico dell'applicazione finale si complica, richiedendo l'uso di ventole e dissipatori, vanificando così i benefici dell'integrazione.
L'AD5755 e il controllo dinamico della potenza
La soluzione al problema della dissipazione termica si chiama controllo dinamico della potenza. Lo stadio finale del generatore di corrente viene alimentato con una alimentazione variabile, che dipende dal valore del carico. In modo completamente automatico è possibile trasferire la maggior parte della potenza al carico riducendo le perdite sul dispositivo. Questa tecnica innovativa è stata implementata sull'AD5755, un Dac a quattro canali, 16 bit e driver di corrente e di tensione incorporati. L'AD5755 ha caratteristiche simili all'AD5422, con una precisione dello 0.05% (TUE) sull'uscita in corrente, 0.04% (TUE) sull'uscita in tensione, e una temperatura operativa che va da -40°C a +105°C. In aggiunta il dispositivo ha un ingresso per canale dedicato ad un segnale HART e può pertanto funzionare anche come modem per lo scambio di segnali digitali sulla linea in corrente. Ogni canale è provvisto di un convertitore boost ad alta efficienza che richiede in ingresso una tensione di 5V ±10% ed è in grado di erogare una tensione compresa tra 7.4 e 29.5 V. Grazie al controllo dinamico della potenza l'AD5755 consente la realizzazione di progetti compatti con un risparmio di potenza fino all'80% e riduzione dell'incremento di temperatura fino al 75%. Della stessa famiglia a 4 canali l'AD5735 è la versione a 12 bit. Esistono anche versioni con solo le uscite in corrente, L'AD5757 è la versione a 16 bit, mentre l'AD5737 ha una risoluzione a 12 bit.
Trasmettitori di campo
L'AD5421 è un Dac singolo a 16 bit con trasmettitore 4 ÷ 20 mA alimentato in loop di corrente, ovvero con connessione a 2 fili su cui viaggiano sia il segnale che l'alimentazione. Le applicazioni tipiche sono i trasmettitori di campo, ovvero sensori di grandezze fisiche con trasduzione 4 ÷ 20 mA. L'AD5421 comprende un regolatore di tensione, in grado di erogare una tensione regolata compresa tra 1.8 e 12 V, che alimenta sia i circuiti interni che altri dispositivi del trasmettitore. Il dispositivo integra pure un riferimento di tensione con stabilità pari a 4 ppm/°C e può operare in un range di temperatura da -40 a +105°C.
