Col termine conversione si indica la trasformazione di alcuni parametri di un segnale elettrico mantenendo invariata la quantità di informazione posseduta dal segnale stesso.

I convertitori risultano essenziali nei sistemi di controllo, in particolare quelli analogico-digitale e digitale-analogico perché sono presenti nelle catene di acquisizione e di elaborazione dati.

Il convertitore analogico-digitale, indicato come convertitore A/D o ADC (Analog Digital Converter), risulta essenziale per collegare un segnale analogico ad un centro di elaborazione digitale.

Prendiamo ad esempio il caso di un sistema a microprocessore per il controllo di grandezze fisiche (temperatura, pressione, umidità ecc.): il segnale in uscita dal trasduttore è generalmente di tipo analogico e di conseguenza deve essere convertito in un segnale digitale per poter essere elaborato dal microprocessore.

Il convertitore digitale-analogico, indicato come convertitore D/A o DAC (Digital Analog Converter), esegue l’operazione inversa rispetto all’ADC. In effetti il DAC permette di trasformare il segnale digitale, fornito dal sistema di elaborazione, in un segnale analogico in grado di operare sui dispositivi di uscita come ad esempio gli attuatori (motori, altoparlanti, ecc.).

Si ricorda che per segnale analogico si intende un segnale che può assumere tutti i valori all’interno di un intervallo, mentre il segnale quantizzato (o discreto) può assumere soltanto un numero finito di valori. Se la quantizzazione viene effettuata, per esempio, con un codice binario i possibili valori sono due.

IL CONVERTITORE ADC

L’ADC trasforma un segnale analogico in un codice binario. Il passaggio da un segnale, che assume

con continuità tutti i valori all’interno di un intervallo, ad una successione discreta di codici binari avviene tramite un’operazione denominata quantizzazione.

LA QUANTIZZAZIONE

La quantizzazione è descritta dalla caratteristica di trasferimento rappresentata dal grafico della figura sottostante. I valori di tensione in ingresso sono riportati sull’ascissa, mentre sull’ordinata viene riportato il codice binario associato ad ogni intervallo di valori di V_i.

Nell’esempio della figura sottostante l’ampiezza massima del segnale d’ingresso è V_iM = 8 V. Il numero di bit scelto è 3 quindi il numero possibile di codici binari esprimibili è Q = 2³ =

Di conseguenza la tensione analogica d’ingresso è stata divisa in 8 parti uguali, ad ognuna delle quali è stato associato uno degli 8 codici binari possibili. A tutti i valori di tensione appartenenti ad un singolo intervallo degli otto possibili viene associato lo stesso codice.

L’esempio precedente mette in evidenza la necessità d’introdurre due parametri caratteristici dei convertitori A/D.

Il primo è l’ampiezza massima V_iM del segnale d’ingresso che può essere convertito dall’ADC. Il segnale da elaborare deve dunque passare prima in un circuito di condizionamento per renderlo utilizzabile dal convertitore. In particolare i campi di valori della V_i accettati dagli ADC in commercio sono generalmente da 0 V a 5 V o da 0 V a 10 V.

L’altro parametro è il numero n di bit con cui si effettua la codifica. Il campo dei valori della V_i viene diviso in Q = 2ⁿ parti uguali. Ad ognuno di questi 2ⁿ intervalli viene associata una parola di n bit. Spesso l'ampiezza dell'intervallo è indicata come passo di quantizzazione.

ADC 0804:

È un convertitore analogico digitale ad 8 bit ad approssimazioni successive in tecnologia CMOS che si presenta in un contenitore DIP a 20 pin e funziona con una sola tensione di alimentazione V_cc = +5V.

Possiede due ingressi analogici Vin (+) e Vin (-) che comandano un differenziale interno a guadagno unitario sicché il dato digitale di uscita risulta proporzionale alla differenza V_in (+) - V_in (-).

Il circuito di clock è interno ma la frequenza f_CK dipende dalle rete esterna R-C che si inserisce. È possibile applicare un  clock  esterno ma, in tal caso,  si evita l’uso della rete  R-C.

Se al piedino V_ref/2 si applica una tensione costante pari a 2,5V l’intervallo dei valori della tensione di ingresso (span) va da 0 a 5 V.

Si noti inoltre che V_ref/2 = 2,5V rappresenta il valore della tensione di ingresso in grado di porre ad 1 il bit più significativo (MSB) DB7.

Il convertitore presenta, inoltre, le seguenti linee di controllo:

CS: Chip select (attiva bassa). Se CS = 1 non è possibile avviare alcuna conversione ed inoltre le uscite digitali, essendo tri-state, si pongono nello stato di alta impedenza.

WR: Write (attiva bassa). Ponendo CS = WR = 0 si inizia una conversione A-D e la linea INTR se bassa, si porta al livello alto.

RD: Read (attiva bassa). Ponendo CS = RD = 0 si rende disponibile in uscita il byte convertito purché la precedente conversione ha avuto termine. Anche in questo caso INTR, se bassa, si porta al livello alto.

INTR: Interrupt (attiva bassa). È una linea di uscita che si trova nello stato alto durante la conversione e compie la transizione negativa quando tale conversione ha termine. Questa linea ritorna al livello alto quando si attiva una successiva conversione (CS = WR = 0) o quando si predispone la lettura (CS = RD = 0).

Caratteristiche principali:

Teorema del campionamento

Un segnale variabile può essere rappresentato completamente e ricostruito perfettamente con una serie di campioni della sua ampiezza rilevati ad eguali intervalli di tempo Ts. L'intervallo Ts tra tali campioni non deve essere maggiore del semiperiodo della più alta frequenza contenuta nel segnale.

Ts<1/2fmax

la frequenza del segnale di campionamento Fs=1/Ts risulta:

Fs>2fmax

RICOSTRUZIONE DELLA FORMA D'ONDA

i dati di uscita dell' ADC quando giungono all'apparato ricevente devono essere convertiti in forma analogica al fine di ricostruire il segnale originario.

L'apparato ricevente è costituito da un DAC e da un filtro passa-basso.

Il primo converte i numeri binari, provenienti dall'ADC, in una successione di tensioni analogiche distanziate di Ts