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elettronica |
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Il atore di soglia è blocco funzionale che accetta un segnale analogico in ingresso e fornisce un segnale discreto in uscita ( 10.9a).
t
10.9a 10.9b
Ha la funzione di trasformare un segnale analogico in un segnale digitale a 1 bit (ON/OFF). E' utilizzato nei termostati, nei sensori di livello, ecc. Il circuito confronta il segnale analogico con un determinato valore, la soglia, e in uscita mette il risultato di questo confronto ( 10.9b). Come vedremo, è uno degli elementi di base nella realizzazione dei generatori di segnale.
Un atore di soglia può essere realizzato con un amplificatore operazionale che confronta il segnale di ingresso VS con una tensione di riferimento Vref, e produce due livelli di uscita a seconda che il segnale sia maggiore o minore della soglia ( 10.10).
Se l'amplificatore operazionale è
ideale, il sue guadagno è molto elevato, e non appena la tensione Vi
si discosta da 0 l'uscita va al valore massimo o al valore minimo. Possiamo realizzare il atore in due
modi: atore non invertente atore invertente
Il comportamento del atore non invertente è rappresentato dal grafico di . 10.9b. In 10.11b è rappresentata la sua transcaratteristica. Come si vede nel circuito ( 10.11a), la tensione di ingresso Vs entra sul morsetto +.
Il circuito del atore invertente è rappresentato in . 10.12a; rispetto al precedente si sono solo invertiti i due poli, quindi il segnale di ingresso Vs entra nel morsetto
10.12b
Il atore invertente ha il
comportamento esemplificato dal grafico di 10.12b. In ura 10.12c
è rappresentata la sua transcaratteristica.
10.12c
Nel grafico di 10.13 è rappresentata la forma della transcaratteristica dell'amplificatore reale.
La linea
tratteggiata rappresenta invece il comportamento dell'amplificatore ideale,
con guadagno infinito. Utilizzando il
meccanismo della reazione positiva possiamo ottenere un guadagno, ad anello
chiuso, che tende ad infinito.
Come si può vedere, se GH fosse uguale a 1, avremmo GF ¥. Quindi per far un atore di soglia (con una soglia) occorre chiudere in un anello di reazione positiva l'amplificatore operazionale. In questo modo otteniamo una transcaratteristica molto vicina a quella ideale.
Un sistema (atore ad una soglia) non è in pratica utilizzabile. Infatti bisogna tener conto che il segnale di ingresso sarà affetto da rumore: quando la Vi dell'amplificatore si trova nell'intorno della soglia, le sue oscillazioni casuali provocano una serie di veloci commutazioni ( 10.14).
La soluzione
consiste nell'avere due soglie e
tra di esse una "banda morta", cioè una zona di insensibilità
nella quale non avvengono commutazioni. In . 10.15
è rappresentato il comportamento di un atore con due soglie.
Si può notare come l'uscita scatti solo quando il segnale di
ingresso supera la soglia superiore o la soglia inferiore.
Questo tipo di
comportamento si chiama comportamento
a isteresi, e si può rappresentare tramite la
trans-caratteristica di . 10.16. In conclusione,
un atore di soglia è praticamente utilizzabile solo se
presenta un comportamento a isteresi, in altre parole ha due soglie di
commutazione. Nota che in alcune applicazioni è indispensabile avere
due soglie, mentre in altri casi è comodo per non sentire il rumore.
Per realizzare tale comportamento si utilizza ancora la reazione positiva.
Il atore con reazione positiva riportato in . 10.19 viene comunemente indicato con il nome di TRIGGER SCHMITT.
Se V1
è il segnale di ingresso e V2 il riferimento, abbiamo un
atore non invertente; viceversa abbiamo un atore invertente. Vu può
assumere solo 2 valori: VMAX e VMIN (non può stare
in linearità, come abbiamo visto). Per quali valori di Vi
ho la commutazione? La commutazione
avviene non appena il sistema entra in linearità (e subito ne esce),
e il sistema è in linearità quando Vi=0; questa
è la condizione per trovare le soglie.
Quando l'amplificatore operazionale è in linearità vale il modello ideale dell'amplificatore stesso; con riferimento alle ure 10.20a e 10.20b, calcoliamo i valori delle due soglie VS1 e VS2.
10.20a
Imponiamo la condizione Vi=0,
cioè V+=V
con questo sistema posso ricavare le due soglie:
Per realizzare un atore con certe soglie determinate e già decise, devo stabilire la Vref e le resistenze R1 e R2 necessarie. Posso diminuire le variabili da 3 a 2 considerando il rapporto R1/R2 invece delle singole resistenze.
Definiamo I (Isteresi) la differenza di tensione tra le due soglie:
Avendo fissato i valori delle soglie, conosciamo anche I, quindi possiamo calcolare il rapporto delle resistenze che ci serve; sostituiamo R1/R2 in una delle due equazioni che forniscono le soglie, per esempio VS1:
Tramite questa equazione posso ricavare anche la Vref che ci serve:
Il rapporto delle resistenze influisce sull'ampiezza dell'isteresi, mentre la Vref regola la posizione dell'isteresi relativamente all'origine.
Anche scambiando i due segnali di ingresso ( 10.21a, 10.21b), quindi ponendo V1=Vref e V2=VS, otteniamo gli stessi risultati.
10.21b
Rifacendo i calcoli, otteniamo queste due equazioni:
Definiamo
Come al solito, gli offset e le derive vanno a modificare i valori delle soglie; possiamo utilizzare i soliti accorgimenti per minimizzare questi effetti.
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