Dispositivi di ingresso analogico: trasduttori che collegano il mondo fisico
I dispositivi di ingresso analogico (trasduttori/sensori) convertono grandezze fisiche continue—temperatura, pressione, luce, suono, posizione—in segnali elettrici continui (tensione, corrente, resistenza, capacità). Mentre i sistemi moderni digitalizzano questi immediatamente (tramite ADC), la *fisica* del rilevamento rimane analogica.
Trasduttori di misura fisica
| Grandezza | Dispositivo | Principio / Uscita |
|---|---|---|
| Temperatura | Termocoppia | Effetto Seebeck → tensione µV-level (non lineare) |
| RTD (Pt100/1000) | Resistenza vs T (quasi lineare, +0,385 Ω/°C) | |
| Termistore (NTC/PTC) | Grande ΔR/°T (esponenziale), alta sensibilità | |
| Sensore IC (LM35, TMP36) | Tensione ∝ T (10 mV/°C), calibrato | |
| Pressione | Estensimetro / Piezoresistivo | Ponte di Wheatstone → mV/V (ratiometrico) |
| Capacitivo | ΔC da deflezione diaframma | |
| Piezoelettrico | Uscita carica (pressione dinamica solo) | |
| Forza/Peso | Cella di carico | Ponte estensimetro (mV/V) |
| Accelerazione/Vibrazione | Piezoelettrico (IEPE) | Carica/tensione ∝ a (accoppiato AC) |
| Accelerometro MEMS | Capacitivo → tensione/corrente (risposta DC) | |
| Posizione/Spostamento | LVDT / RVDT | Rapporto trasformatore AC → posizione (robusto) |
| Potenziometro | Partitore di tensione (usura, rumore) | |
| Encoder (Analogico seno/coseno) | Signali 1 Vpp in quadratura (interpolazione) | |
| Portata | Magnetico / Ultrasonico / Coriolis | 4–20 mA o tensione (trasmettitori smart) |
| Livello | Idrostatico (DP), Radar, Ultrasonico, Galleggiante | 4–20 mA / tensione |
| Luce | Fotodiodo / Fototransistor | Corrente ∝ irradianza (lineare) |
| LDR (CdS) | Resistenza ∝ 1/luce (lento, non lineare) | |
| Suono | Microfono a condensatore / MEMS | Modulazione capacità → tensione |
| Gas/Chimico | Cella elettrochimica | Corrente ∝ concentrazione (ppm) |
| Pellistor / NDIR | Resistenza / Assorbimento (infiammabile/CO2) |
Dispositivi di interfaccia uomo (Uscita analogica)
- Joystick / Thumbstick: Dual-axis potenziometri o sensori Hall-effect.
- Slider / Fader: Potenziometro lineare o plastica conduttiva.
- Resistore sensibile alla forza (FSR): Resistenza ∝ forza.
- Touchscreen analogico (Resistivo): Partitore di tensione strati X/Y.
Il Front End Analogico (AFE) — Renderlo digitale
I segnali sensori grezzi sono raramente pronti per MCU. Un AFE fornisce:
- Condizionamento segnale: Amplificazione (Instrumentation Amp), Filtraggio (Anti-aliasing), Shift di livello, Linearizzazione (compensazione giunzione fredda termocoppia).
- ADC (Convertitore Analogico-Digitale): SAR, Delta-Sigma, Pipeline. Specifiche chiave: Risoluzione (bit), Frequenza di campionaggio, ENOB, Intervallo di ingresso.
- Riferimento: Tensione di riferimento stabile (VREF) definisce accuratezza full-scale.
Circuiti di corrente standard industriali
4–20 mA è lo standard di fatto analogico per trasmettitori industriali:
- Zero vivo (4 mA = 0% = rilevamento rottura filo).
- Modalità corrente = immune a caduta tensione su cavi lunghi (km).
- 2 fili alimentato da loop (trasmettitore alimentato dal loop).
- HART / WirelessHART sovrappone comunicazione digitale sugli stessi fili.
Comprendere la *natura analogica* dei sensori—il loro rumore, impedenza, non linearità, deriva ed effetti di carico—è essenziale per progettare l'AFE che trasforma la fisica in dati affidabili.