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Esame di stato prova pratica

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 2 gen 2019, 12:37

Sono andato a ricercare i temi dell'esame di stato nel sito indicato nel tread "esame di stato" .
Nel settore "industriale" i temi sono troppo difficili per me per essere svolti senza difficoltà.

Nel settore informazione Junior (triennale ?) ho individuato il seguente

POLITECNICO DI TORINO
ESAMI DI STATO PER L’ABILITAZIONE ALL’ESERCIZIO
DELLA PROFESSIONE DI INGEGNERE DELL’INFORMAZIONE IUNIOR
I Sessione 2018 - Sezione B
Settore dell’Informazione
Prova PRATICA del 23 luglio 2018
Il Candidato svolga il seguente tema proposto.
L’elaborato prodotto dovrà essere stilato in forma chiara, ordinata, sintetica e leggibile.
La completezza, l’attinenza e la chiarezza espositiva costituiranno elementi di valutazione.
Progettare un amplificatore di condizionamento atto ad interfacciare un sensore di temperatura di tipo NTC ad
un convertitore A/D.
Le specifiche di progetto sono le seguenti:
- Valore di resistenza dell'NTC a 25 gradi centigradi: 10 kohm
- Dinamica di ingresso del convertitore A/D: 2,5 V
- Tensione di alimentazione del circuito: 3,3 V
- Intervallo di temperatura in ingresso: 0 - 100 gradi centigradi
Al termine del progetto, il candidato descriva le specifiche dettagliate del sistema ottenuto (precisione,
consumi, ecc.).
Materiale:
- Datasheet NTC Vishay NTCLE...E3...SB NTCLE201E3103SB
- Datasheet convertitore A/D ADC080x 8-Bit, μP-Compatible, Analog-to-Digital Converters
- Datasheet amplificatore operazionale OPA341

Mi sono detto: mi metto alla prova, riuscirò a svolgerlo in modo adeguato?
A occhio pare elementare, ma quando si tratta di progetto e di fare delle scelte, cosa è il meglio che si può
fare ? Ci sono poi trabocchetti ? Devo leggere con cura i dati dei componenti ?
In un prossimo post vi informerò di cosa ho fatto. O_/



E voi altri membri EY come lo svolgereste?
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[2] Re: Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 2 gen 2019, 13:08



Come si dimensiona R1 ?
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[3] Re: Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto Utenteelfo » 2 gen 2019, 13:30

I valori della NTC alle temperature 0 C - 25 C 100 C (dal datasheet):

0 C 32555 ohm
25 C 10000 ohm
100 C 677.3 ohm

Il problema e' di traslare questi valori in una tensione che va da 0 V a 2.5 V (dinamica dell'ADC).

Quindi, secondo me, invece che un buffer (G=1) occorre introdurre guadagno+offset.
Il guadagno ptrebbe (forse) essere omesso diemnsionando opportunamente la R1
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[4] Re: Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 2 gen 2019, 14:01

Si tratta di amplificare nel modo corretto al fine di aggiustare la dinamica (la non linearità si può aggiustare tramite firmware, se non va sotto 1LSB).
Invece i problemi che vedo sono la dipendenza dalla temperatura dell'uscita dell'operazionale e la dipendenza della tensione di uscita dalla corrente assorbita.

datasheet OPA341-page10 ha scritto:RAIL-TO-RAIL OUTPUT
A class AB output stage with common-source transistors is used to achieve rail-to-rail output.
For light resistive loads (> 50kΩ), the output voltage is typically a few millivolts from the supply rails.
With moderate resistive loads (2kΩ to 50kΩ), the output can swing to within a few tens of millivolts from the supply rails and maintain high open-loop gain.
See the typical characteristic “Output Voltage Swing vs Output Current.”


abbiamo 8 bit su 2.5 V, che significa che 1LSB vale 9.7 mV, quindi se l'impedenza di ingresso dell'ADC (non ho controllato) fosse da 2 kΩ a 50 kΩ < 2kΩ avremmo un problema.

Se mi viene in mentre altro aggiungo altri post.
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[5] Re: Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 2 gen 2019, 15:35

Condivido i post di Foto Utenteelfo e Foto UtentePietroBaima.
Ho cercato il valore della resistenza di ingresso dell?ADC nel data sheet, ma non l'ho trovato, cercare meglio? Parla di correnti di ingresso variabili durante la conversione, mettere un condensatore di filtro?
Che dinamica ci aspettiamo da un segnale di temperatura?

Un modo di dimensionare R1 è impostare una tensione di 2,5 V per 100 C° corrispondenti a 677,3 ohm
e vedere poi cosa capita a 0 C° ( 32,56 kohm) .

(3,3 V - 2,5 V ) / 0,6773 = 1,19 mA; R1 = 2,5/1,19 = 2,093 kohm

A 0 C° : 3,3 * 2,093 /( 32,56 + 2,093 ) =0,426 circa 0,20 V

Stiamo dentro e utilizziamo quasi al meglio il range 0-2,5 V. possiamo migliorare ?

Problema da esaminare: la dissipazione di potenza nel termistore è inferiore ai 100 mwatt nel caso peggiore ?
provoca un aumento di temperatura del termistore, quanto vale ? E' accettabile ?

Nel data sheet del termistore sono riportati:
Accuracy di 0,5 C° fra 0 e 50 C° E al di sopra di 50 C° ???
Tolleranza sul valore di R25 +/- 2,18 % sembra tanto !! Quanto vale convertita in temperatura ?

B25/85 value 3977 K Non capisco cosa vuol dire !!! Qualcuno lo sa ?


Invece che utilizzare R1 = 2,093 kohm , come la approssimiamo con valori standard ? 2200 ohm 5% ?

Sapendo che la caratteristica non lineare della termoresistenza viene in parte compensata da quella del partitore, e che forse desidereremmo una caratteristica lineare tensione/temperatura , possiamo trovare
un valore di R1 tale che le non linearità siano minime ( in valore massimo o come scarto quadratico medio? ).

Il compito era inizialmente banale, ma fare le cose al meglio è sempre difficile e discutibile !!!


Stiamo lavorando per progettare:

-La misura della temperatura di un serbatorio di propellente di un satelite artificiale . Esemplare unico, ma costosissimo

- Un termometro digitale per misura della temperatura di un termosifone. Settore consumer ipereconomico, ma da costruire in mgilaia di esemplari in Cina !

- Un accrocchio sperimentale per un amico, che paga poco e vuole solo qualcosa di abbastanza funzionante?

O_/
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[6] Re: Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto UtenteDrCox » 2 gen 2019, 15:54

MarcoD ha scritto:E voi altri membri EY come lo svolgereste?


A livello di topologia, si potrebbe pensare ad un ponte di Wheatstone (preferirei averla collegata ad un amplificatore per strumentazione, ma non ti viene fornito alcun datasheet se non di un opamp normale)


questa topologia però ha una scarsa accuracy del guadagno ed induce degli sbilanciamento dovuti al carico RF, oltre ad avere problemi con le correnti di bias dell'OPAMP. In questa configurazione devi scegliere accuratamente RF per massimizzare la reiezione di modo comune. E' però difficile massimizzare il CMRR ed avere flessibilità sul guadagno.
Per questo sarebbe meglio usare un amplificatore per strumentazione, ma non ti forniscono il datasheet quindi soluzione da scartare per questa prova.

Una soluzione migliore può essere questa:

ottenendo un'uscita lineare. Richiede però due opamp e di matchare R1 ed R2.
V_{out}=\frac{V_B}{2}\frac{\Delta R}{R}\left[1+\frac{R_2}{R_1} \right]
"The past is not really the past until it has been registered. Or put another way, the past has no meaning or existence unless it exists as a record in the present."
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[7] Re: Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 2 gen 2019, 16:03

hmm... a me piace la non linearità del partitore. Se l'NTC è "sopra" può ammorbidire la non linearità della temperatura.
Che ne dite?
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[8] Re: Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 2 gen 2019, 16:24

....Se l'NTC è "sopra" può ammorbidire la non linearità della temperatura. Che ne dite?

Concordo, allego grafico excel in pdf, purtroppo non so trasferirlo come immagine
Se riesco allego il .xls
Sembrava semplice....
O_/
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partitore termist 10k a 25C.pdf
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[9] Re: Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 2 gen 2019, 17:09

Le proposte di Foto UtenteDrCox sarebbero ottimali se si usassero delle PT100 o PT1000 ossia delle PTC
la cui resistenza varia al massimo del 100% del valore di riferimento.

post scriptum:
la seconda soluzione proposta ha l'uscita del primo operazionale che va a tensione negativa.
Pone problemi, perché la tensione di alimentazione è solo +3,3 V: servirebbe un generatore di tensione negativa (fattibile con un astabile e due condensatori e due diodi ), oppure realizzare una tensione di riferimento intermedia a circa 1,17 V.


Però tutto è possibile, progetta, fai dei calcoli, fornisci dei valori numerici
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[10] Re: Esame di stato prova pratica

Messaggioda Foto Utentedadduni » 2 gen 2019, 20:41

Io non mi fiderei della dinamica dell'operazionale quando lavora così vicino alla saturazione, è vero che è un rail to rail ma è il datasheet specifica che al variare della temperatura lo swing di uscita si riduce. La saturazione parte da \pm 5mV (rispettivamente dai rail positivo e negativo) fino a \pm 200mV.
Se non si vuole saturare l'operazionale io farei in modo che l'output non si avvici mai a +200mV (dal negativo quindi da massa). Per il rail positivo potrebbero non esserci problemi perché la dinamica dell'ADC è 2.5V ed è parecchio sotto il limite di 3.3V dell'alimentazione dell'ampli.
Con un semplice partitore di tensione (resistenza verso il positivo, sensore verso massa) basta una resistenza da 10k (valore commerciale) per avere uno swing di tensione perfetto: 2.52V quando il sensore legge 100°, 202mV quando il sensore legge 0°.
Io farei così e aggiusterei le non linearità in software.
Davide

PS è vero che in generale la temperatura varia lentamente ed è vero che con 8bit buona parte del rumore è di discretizzazione. Ma se in software si fa un campionamento anche un filtro anti-aliasing può essere previsto!
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