mercoledì 10 dicembre 2014

Capitolo 5) Manuale datalogger - Specifiche del sistema di amplificazione

5) Specifiche del sistema di amplificazione
Teoria


PAGINA DI VECCHIO MANUALE  -  questa pagina ha solo fini di illustrare  come è fatto un amplificatore , con l'acquisitore THEREMINO .COM  master e adc 24 bit non è più il caso di usarli.

L'amplificazione da applicare è in funzione di ciò che si vuole visualizzare e dell'Adc che si usa, certe applicazioni non hanno bisogno di essere amplificate ( esempio inclinometri, sensori di pressione, temperatura), altre hanno bisogno di un mimo di amplificazione ( sismografi sismici ) altre ancora di amplificazione sempre maggiori per passare da Masw a sismica a rifrazione , remi e prove hvsr ove occorrono amplificazioni anche notevoli per misurare valori dell'ordine di frazioni di microvolt.


per misure di HVSR, per misure Remi, Masw, sismica riflessione e rifrazione tali valori amplificazione possono essere ridotti di 10 - 100 unità.

Il gain da applicare è legato anche alla dinamica dell'ADC utilizzato e può essere cosi schematizzato ( valori indicativi) per avere una risoluzione di :0 , 000 001 V - 0, 000 000 6 Volt.

bit dinamica mv minimo gain max volt gain min volt






10 1024 0,0029297 4883  0,0000006 2930 0,000001
12 4096 0,0007324 1221 0,0000006 732 0,000001
16 65536 0,0000458 76 0,0000006 46 0,000001
24 16777216 0,0000002  1 0,0000006  1 0,000001





 dove:
 1° colonna  i bit dell'ADConverter
 2° colonna  la dinamica
 3° la definizione minima dell'adc con volt di riferimento = 3.2 Volt ( +/- 1,6 v)
 4° colonna  il gain massimo da applicare per avere una risoluzione do 0.6 microvolt
 5° colonna definizione massima per  registrare microtremori

 6° colonna  il gain massimo da applicare per avere una risoluzione do 1 microvolt volt
 7° colonna definizione minima per  registrare microtremori

Dalla tabella si ricava che  per avere una buona sensibilità strumentale per eseguire prove hvsr occorre (i valori sono puramente indicativi in quanto esistono altri elementi progettuali, hardware che possono farli variare.

un gain tra 2800 5000 x per i 10 Bit
un gain tra   700 1200 x per i  12 Bit
un gain tra     50   100 x per i  16 Bit
un gain           1x            per i  24 bit


Note preliminari degli amplificatori da usare

Ciò che si vuole realizzare è un sistema con le massime prestazioni possibile sia in termini di velocità di acquisizione che di sensibilità per non dover riprogettare nuovi hardware nel caso i cui si dovesse avere di maggiori prestazioni.

Le problematiche più grosse fin qui riscontrate sono quelle dell'amplificazione dovute principalmente al fatto che il progetti è partito quando non era ancora nato l'ARDUINO 2 e quindi non si avevano a disposizione alcune soluzioni hardware che Arduino 2009 e Arduino uno non avevano ancora implementate.

Come già detto il precedenza le novità dell'Arduino due sono:

1) la possibilità di leggere tensioni da +. 1,6 volt invece dei normali 0- 5 volt; 
Questo fatto permette di semplificare enormemente l'amplificaztone  in quanto non è più necessario realizzare il partitore che permetteva di eseguire letture di segnali negativi,aggiungendo una cc di 2,5 volt al degnale del geofono. 
Questa soluzione è la principale causa di  malfunzionamenti  come pure eventuali circuiti necessari per garantire una cc relativamente pulita.

Pertanto per acquisizioni spinte ove occorre un elevato gain del segnale  si consiglia l'utilizzo dell'Arduino due anche se è molto più delicato delle versioni precedenti.
L'utilizzo dell'Arduino due permette inoltre di avere una dinamica e una risoluzione del segnale 4 volte superiore e una maggiore velocità di campionamento che a parità di definizione del segnale acquisito permette di ottenerlo con un amplificatore  8 - 16 volte meno amplificato sia per la dinamica a 12 bit  sia per la minor tensione di riferimento utilizzata e un gain 2 x aggiuntivo gestibile da software.

Tutte queste opzioni, non ultima la possibilità di avere 12 anali invece di 6 e molta più ram interna , a parte un costo superiore lo rendono più performante e contemporaneamente  rendono più semplice il lavoro di progettazione dell'hardware 

Per migliorare gli attuali sistemi di amplificazioni occorre seguire le seguenti scelte progettuali

1) realizzare amplificazioni a due stadi

è noto che amplificare ai limiti delle possibilità dell'IC  un segnale si creano disturbi nel segnale, non si ha una risposta lineare dell'amplificazione e il sistema è a rischio se si superano i valori massimi che l'amplificazione può sopportare, non ultimo problemi di offset e di surriscaldamento del sistema che possono portare a deriva i dati acquisiti. ( questa è la strada seguita fino ad oggi per semplificare la realizzazione del progetto.

Pertanto passare da un sistema mono a un sistema duale vuol dire lavorare nei range di affidabilità dei componenti usati per amplificare il sondaggio e di conseguenza superare gli attuali limiti di amplificazione e contemporaneamente avere un ottimo segnale.
Per i nostri usi occorre quindi amplificare il segnale in due stadi, il primo con 70 - 80 x si comporterà come un preamplificatore, il secondo con un gai variabile da 1 - 80 x permetterà di avere  gain da 80 a 5000 a 6000 x valori più che sufficienti  sia per registrare  microtremori in ambienti molto silenziosi che  vibrazioni di edifici multipiano.

Occorre che il sistema di settaggio dell'amplificazione sia selezionabile con un commutatore a più posizioni ( max 5 ) e tre vie per poter selezionare gain pari a 250, 500,1000, 2500 , 5000 x per l'Arduino uno se proprio si vuole utilizzare questo modello - (rimarranno difficili problematiche di taratura, centraggio e di pulizia del segnale acquisito)

Utilizzando l'Arduino 2  i valori  il valore di gain del primo stadio potrebbe essere ridotto a  50 x,  che sommato al gain di 50 x del secondo stadio porterebbe ad una amplificazione di  2500 x. osi suddivisa con il commutatore a tre cie e 4 posizioni :   250 500 , 1000,  2500 x ( corrispondente ad un gain equivalente a quello di Arduino 1 pari o superiore a 10 - 12000 x  valori questi improponibili  ) .


Altre problematiche e possibili disturbi:

La bontà del segnale è anche legata alla qualità e stabilità della corrente di alimentazione ,  quindi occorre montare all'ingrasso condensatori che abbiano il compito stabilizzare la corrente proveniente dalla USB , magari con  filtri magnetici sul cavo di alimentazione, discutibili le soluzioni hardware per generare tensioni in quanto l'elettronica utilizzata potrebbe generare rumore rosa  nella fascia di frequenze tra 0,5 e 40 hz.

A maggior ragione questo problema è maggiormente evidente nel caso di amplificatori fatti per Arduino due dove esiste la necessità del partitore , tensioni che poi vengono sommate al segnale generato dai geofoni causa principale dei problemi precedentemente menzionati ( altro motivo che ci fa escludere l'Arduino uno o precedenti )

Non utilizzare la rete elettrica come fonte per alimentare il PC  ma solamente batterie, non usare gruppo di continuità ed evitare di fare sondaggi quando è possibile vicino a linee elettriche, a motori elettrici  ecc. causa possibili disturbi, in questi casi si vedrà negli spettri picchi a con frequenza 50 hz.


Il problema del partitore nel caso di utilizzo dell'Arduino Uno o modelli similari.

Il partitore è necessario per poter eseguire acquisizioni con Arduino uno in quanto più leggere segnali solamente positivi con tensioni tra 0 e 5 volt ( e con alcune opzioni  anche con valori inferiori da 0 a 1 volt )
In alternativa  si può generare una tensione del valore voluto pari a 1/2 della tensione di riferimento ( esempio 3,2 volt.

In tutti e due i casi questa tensione si va a sommare ( come già detto in precedenza) al segnale vero prodotto dal geofono , e visto che stiamo lavorando con tensioni anche inferiori al microvolt e facie che disturbi si sommino al degnale vero del geofono inquinando il segnale vero ( ragione per cui si sconsiglia l'utilizzo di questo sistema di alimentazione e di conseguenza l'Arduino uno

L'unica via praticabile è quella di utilizzare amplificatori di tipo differenziale che permettono anche di avere un migliore offset del segnale ( su tale argomento sarà aperta una pagina apposita )


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