Sisteme cu microprocesoareLaboratorul nr. 4

Preluarea și gestionarea semnalelor analogice

-Funcționarea convertorului analog – digital

-Funcționarea convertorului digital analogic (modularea în durată a impulsului –

eng. Pulse Width Modulation P.W.M.)-

Senzori și traductoare

• Un senzor sau traductor realizează conversia mărimilor fizicede natură neelectrică (ex. forță, căldură, lumină) în mărimifizice de natură electrică (ex. curent, tensiune);

• În acest sens, se propune următoare clasificare:

Traductoare active (ex. fotodioda, tahogeneratorul,termocuplul);Traductoare pasive (ex. fotorezistența, termistorul, mărcile

tensometrice);

Modul de abordare al traductoarelor

• Traductoarele active nu necesită sursă de alimentare auxiliară,deoarece, ele prin natura lor, sunt generatoare de curent sautensiune;

• În cazul acestora, trebuie reglementați parametrii semnalului deieșire, ca să fie în limitele admisibile de prelucrabilitate (ex.amplitudine, formă de undă, frecvență, fază);

• Din acest motiv, ele trebuie să conțină în mod obligatoriu un circuitformator de semnal (C.F.S. – ex: amplificator operațional, rezistențedecadice, filtre, formatoare de nivel, declanșatoare etc.);

Modul de abordare al traductoarelor

• traductoarele pasive, necesită o sursă de alimentare auxiliară,deoarece mărimea fizică este transformată într-un parametru fizic decircuit (ex. rezistență, capacitate, inductivitate).

• În vederea măsurării/cuantificării efectului produs de acest tip detraductoare, este necesară introducerea unui circuit de adaptare (ex.divizor de tensiune sau curent, punte de măsură, transformatoare demăsură);

Modul de abordare al traductoarelor

• În ambele situații, fie că se dorește măsurarea unui curent,fie că se dorește măsurarea unei tensiuni, semnalul rezultanteste tot o tensiune proporțională cu semnalul fizic neelectric.

• Astfel, principalul aspect constă în înțelegerea funcționăriidivizorului de tensiune și al convertorului analog digital

Divizorul de tensiune

• Este o grupare de două rezistențe (ex. una fixă și una variabilă,

sau ambele fixe) prin intermediul căreia se realizează reducerea

nivelului de tensiune de la intrare la ieșire, în mod proporțional:

• 𝑈1 = 𝑅1 ∙𝑈

𝑅1+𝑅2

• 𝑈2 = 𝑅2 ∙𝑈

𝑅1+𝑅2

Traductoare pasive în montaj potențiometric

• Orice traductor pasiv–rezistiv poate fi utilizat în montajpotențiometric (ex. divizor de tensiune):

Rezistența variabilă potențiometrică (cu trei terminale);

Fotorezistența cu o rezistență fixă;

Termistor și rezistență fixă;

Traductoare pasive în montaj potențiometric

A. B. C.

Funcționarea convertorului analog – digital

Comparatorul electronic

• Este un dispozitiv electronic cu ajutorul căruia se pot genera stărilogice („logic 0” sau „logic 1”), pe baza unui semnal analogicmăsurat și o referință stabilită în prealabil.

+

-ref.u(t)

Vcc

GND

r(t)

Comparatorul electronic

Vcc

ref.u(t)

Vccr(t)

t

t

Vcc. ref. u(t)

0

0

Logic „1”

Logic „0”

Convertorul analog – numeric / digital

• Convertorul analog–digital/numeric, constă într-o grupareprogresivă de comparatoare;

• În mod normal, numărul de comparatoare defineșterezoluția convertorului (ex. patru comparatoare rezultă 24 =16 biți);

• Referința pentru fiecare comparator este dată de un divizorde tensiune rezistiv multiplu, alcătuit din rezistențe cu valoriproporționale astfel încât tensiunea să fie împărțită în pașiegali (ex. 10 mV/pas, 100 mV/pas, 1 V/pas);

u(t)t

u(t)

0

r(t)t

r(t)

0

Rezultat de conversieanalog – numerică / digitală

Semnal continuu analogic

Semnal discretizat numeric

Rezultat de conversieanalog – numerică / digitală

Semnal continuu analogic

Semnal discretizat numeric

u(t)

t

u(t )

0

1 0 1 00 1 0 11 1 0 00 0 1 10 1 1 11 0 0 01 0 1 11 1 0 1

Funcționarea convertorului digital analog (modularea în durată a impulsului, eng. Pulse

Width Modulation P.W.M.)

Convertorul digital – analogic

• Convertorul digital–analogic realizează operația inversă aconvertorului analog/numeric, adică, furnizează un semnalcvasi–analogic (aproape analogic) prin cuplarea succesivă aunor nivele de tensiune artificial construite printr-un divizorrezistiv multiplu.

• Semnalul furnizat de un astfel de dispozitiv este unuldiscretizat/numeric.

R1

R2

R3

R4

Rref

GND

Uni

tate

logi

că d

e co

nve

rsie

zeci

mal

- b

inar

ă

+

-

Vcc

Ieșire analogică

Co

mu

nic

are

cu

mic

roco

ntr

olle

rul

Tx

GND

Rx

Spre unitatea de comparare pentru formarea semnalului modulat în lățime (P.W.M.)

GND

r(t)t

r(t)

0

1 0 1 00 1 0 11 1 0 00 0 1 10 1 1 11 0 0 01 0 1 11 1 0 1

Conversia valorilor numerice în semnal discretizat

Matricea de stare a comutatoarelor

Semnal discretizat numeric

Generatorul de undă dreptunghiulară modulată în lățime (P.W.M.)

• Generatorul PWM de undă dreptunghiulară modulată în lățime(eng. Pulse Width Modulation) constă într-un comparator, unconvertor digital–analogic și o bază de timp programabilă cuformă de undă triunghiulară/dinte de fierăstrău (similarosciloscopului).

• Comparatorul din interiorul generatorului PWM furnizeazăimpulsuri la intersecția semnalului produs de convertorul digitalanalog cu semnalul bazei de timp (forma triunghiulară).Frecvența bazei de timp redă frecvența trenului de impulsurigenerat.

DAC

PWM A

PWM B

Timer

t

t

t0

0

0

y(t)

Vcc

Vcc r(t)

r(t)

+

-Timer

DAC

Vcc

GND

r(t)

+

-TimerDAC

Vcc

GND

r(t)

Aplicații

• Utilizând platforma Intel Galileo să se studieze următoarele aplicații:Funcționarea convertorului analog – numeric / digital (prin monitor serial);

Transformarea rezultatului de conversie în valori de tensiune;

Implementarea unui comparator numeric cu prag reglabil;

Implementarea unei coloane luminoase indicatoare de nivel;

Generarea unui semnal dreptunghiular modulat în durată (potențiometru);

Generarea unui semnal dreptunghiular modulat în durată (control digital);

Pentru aceleași aplicații să se utilizeze și alte tipuri de traductoare precum: fotorezistență, traductorul de temperatură pe bază de tranzistor bipolar LM35 etc...

Traductoare pasive în montaj potențiometric

A. B. C.

Funcționarea convertorului analog digital (prin monitor serial)

Transformarea rezultatului de conversie în valori de tensiune

Implementarea unui comparator numeric cu prag reglabil

Implementarea unei coloane luminoase indicatoare de nivel

Generarea unui semnal dreptunghiular modulat în durată

Potențiometrul

https://www.quora.com/How-do-I-connect-6-potentiometers-with-arduino

Traductorul de temperatură LM35

https://components101.com/lm35-temperature-sensor

http://blog.circuits4you.com/2015/05/lm35-temperature-sensor-interfacing.html

VOUT = 10 mv/°C × T

Fotorezistența

https://www.c-sharpcorner.com/UploadFile/d15fb8/ldr-with-arduino/