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Tesina esami di stato Elettronica e Telecomunicazioni




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Tesina esami di stato

Elettronica e Telecomunicazioni




All’attenzione della commissione d’esame:


Ø     prof. Papale Carmelo (presidente)

Ø     prof. Santoiemma Maurizio (sistemi elet. aut.)

Ø     prof.ssa Pergammi Marcella (economia e diritto)

Ø     prof.ssa Mazzucato Dina (matematica)

Ø     prof. Mitrotta Ercole (TDP)

Ø     prof. Morandin Andrea (Elettronica e Telecomunicazioni)

Ø     prof.ssa Scattolin Chiara (lettere)


Indice

(tra parentesi il relativo numero di pagina)

1) Caratteristiche dell’holter (3)

2) Caratteristiche dell’impulso cardiaco (4)

3) Schema a blocchi (5)

           

3.1)                Rilevazione dati (6)

            3.2)                 Amplificazione (6)

            3.3)                Filtro passa banda (8)

            3.4a)               Comparatore (10)

3.5a)               Elaborazione1 PIC (11)

3.6a)               Visualizzazione frequenza (LCD) (12)

3.4b)               Condizionamento (12)

3.5b)               Elaborazione2 PIC (14)

3.6b)               Trasmissione a radiofrequenza (15)

3.6b.1)                        RS232 (16)

            3.6b.2)                        TX-DFM 12V (19)

            3.6b.3)                        RX-DFM 3V3 (21)

3.7)                Visualizzazione segnale (PC) (22)

4) Approfondimento: le antenne (23)

           

4.1) Concetti generali (23)

            4.2) Il dipolo elettrico (24)

                       

4.2.1) Densità di potenza (25)

                        4.2.2) Impedenza caratteristica (25)

                        4.2.3) Area efficace e potenza ricevuta (26)

                        4.2.4) Rendimento (27)

                        4.2.5) Banda passante (27)

           

4.3) Il dipolo ripiegato (28)

            4.4) Antenna Yagi (29)

            4.5) Antenna logperiodica (30)

            4.6) Antenna biconica (31)

           

5) Test di laboratorio EMC (33)

           

5.1)                 Fonti norme EMC e generalità (33)

            5.2)                 Emissioni irradiate (35)

            5.3)                 Immunità irradiate (36)

            5.4)                 Altre prove di laboratorio effettuate (37)

            5.5)                 Flicker (37)

            5.6)                 Emissioni condotte (38)

           

Grafici, schemi e foto


fig.  1: visualizzazione impulso cardiaco (4)

fig.  2: schema a blocchi dell’esperienza (5)

fig.  3: pin configuration (6)

fig.  4: struttura intera INA 131 (6)

fig.  5: visualizzazione del segnale in seguito al filtraggio (8)

fig.  6: spettro dell’ impulso cardiaco (8)

fig.  7: filtro passa banda (9)

fig.  8: visualizzazione del segnale “squadrato”(10)

fig.  9: circuito comparatore (10)

fig.10: logica elaborazione 1 (11)

fig.11: circuito astabile (11)

fig.12: circuito differenziale (13)

fig.13: struttura segnale RS232 (16)

fig.14: schema a blocchi struttura interna TX-DFM 12V (19)

fig.15: schema a blocchi struttura interna RX-DFM 3V3 (21)

fig.16: variazione del campo elettrico e di quello magnetico lungo la linea di trasmissione e lungo il dipolo elettrico (24)

fig.17: concetto di densità di potenza (26)

fig.18: concetto di dipolo ripiegato (28)

fig.19: struttura antenna Yagi (29)

fig.20: effetto dell’applicazione di direttori e riflettori (29)

fig.21: struttura antenna logperiodica (30)

fig.22: dimensionamento parametri di costruzione (30)

fig.23: struttura antenna biconica (31)

fig.24: postazione prova di emissione irradiata: cabina schermata e zona elaborazione (35)

fig.25: zona elaborazione per prove di emissione condotta (38)

fig.26: risultato di una prova di emissione condotta (39)


1) CARATTERISTICHE DELL’HOLTER

Il progetto presentato si può ricondurre ad uno strumento usato in medicina chiamato Holter ECG (prende il nome dal suo inventore, il Dr Norman J. Holter).

A livello industriale un Holter ECG è in grado di evidenziare occasionali aritmie, non identificabili durante il breve tempo di un'elettrocardiografia standard. Per pazienti con sintomi ancora più 'sfuggenti', l'Holter ECG può essere usato anche per un mese o più, invece di un suo utilizzo strettamente quotidiano, come previsto nella norma.

Come l'elettrocardiografia classica, l'Holter ECG registra i segnali da elettrodi posizionati sul torace. Gli elettrodi, il cui numero e posizione variano con il modello (per lo più tra tre ed otto), sono connessi ad una apparecchiatura, agganciata alla cintura, che riceve e registra i segnali.

I modelli più vecchi usavano bobine o audiocassette standard (C60, C90), ed erano molto lenti; oggigiorno la registrazione avviene su memorie digitali flash, i dati sono trasferiti su computer, ed un programma effettua in automatico una prima analisi, conteggia i complessi QRS, indica la frequenza cardiaca media,massima e minima, ed evidenzia le aree che meritano una più attenta osservazione.

Gli elettrodi si posizionano su piani ossei, per minimizzare l'artefatto da attività muscolare.

Sono pertanto disponibili modelli da 24 ore o 30 giorni.

Il mio progetto di Holter ECG, invece, esegue prettamente quella che è la funzione principale di tale dispositivo: monitorare l'attività elettrica del cuore.

Il funzionamento prevede infatti il campionamento del periodo di tempo che intercorre tra un impulso cardiaco e il suo successivo, ovvero la frequenza cardiaca, prelevando lo stesso impulso mediante 3 elettrodi (misura in modo comune: 2 elettrodi posizionati sul torace presso gli ipotetici assi lungo i quali si registrano i potenziali elettrici del cuore e uno sulla caviglia destra come massa).

Tale frequenza viene visualizzata su un display LCD e, il segnale monitorato su un monitor.

Il principio su cui si basa la misurazione dell'attività elettrica del cuore è prettamente fisiologico: l'insorgere degli impulsi nel miocardio porta alla generazione di differenze di potenziale (in seguito ddp), che variano nello spazio e nel tempo e che possono essere registrate tramite degli elettrodi.

La registrazione della ddp da parte di elettrodi posti sulla superficie corporea avviene grazie alla conducibilità dei liquidi interstiziali del corpo umano (assi immaginari  accennati precedentemente).

 Il tracciato elettrocardiografico rappresenta il metodo più facile, meno dispendioso e più pratico per osservare se l'attività elettrica del cuore è normale oppure se sono presenti patologie. Nell’esecuzione delle varie prove in laboratorio, invece, mi sono servito di un oscilloscopio (PC).

 Il normale tracciato ECG presenta un aspetto caratteristico che varia soltanto in presenza di problemi. Il tracciato è caratterizzato da diversi tratti denominati onde, positive e negative, che si ripetono ad ogni ciclo cardiaco.

2) CARATTERISTICHE DELL’IMPULSO CARDIACO

http://digilander.libero.it/ferrucciodebellis/elettrocardiogramma_file/image002.gif

fig. 1: visualizzazione impulso cardiaco

Onda P: è la prima onda che si genera nel ciclo, e corrisponde alla depolarizzazione degli atri. È di piccole dimensioni, poiché la contrazione degli atri non è cosi potente. La sua durata varia tra i 60 e i 100 ms.

Pausa AV: ha una durata che va dai 60 ai 100 ms.

Complesso QRS: si tratta di un insieme di tre onde che si susseguono l'una all'altra, e corrisponde alla depolarizzazione dei ventricoli. L'onda Q è negativa e di piccole dimensioni; la R è un picco molto alto positivo; la S è un'onda negativa anch'essa di piccole dimensioni. La durata dell'intero complesso è compresa tra i 60 e 110 ms. In questo intervallo avviene anche la ripolarizzazione atriale che però non risulta visibile perché mascherata dalla depolarizzazione ventricolare.

Tratto ST: dura all’incirca 60 ms.

Onda T: rappresenta la ripolarizzazione dei ventricoli. Non sempre è identificabile, perché può anche essere di valore molto piccolo. Ha una durata compresa tra160 e 200 ms.

Onda U: è un'onda che non sempre è possibile apprezzare in un tracciato, dovuta alla ripolarizzazione dei muscoli papillari.

Eseguendo un rapido calcolo ci si può ricondurre alla durata minima e massima di un singolo impulso cardiaco in regime di normalità, sommando i periodi di ciascuna fase che compone l’onda.

3) SCHEMA A BLOCCHI DEL PROGETTO

1) RILEVAZIONE DATI

 
   

 

                                                                                                               

2) AMPLIFICAZIONE

 
 


fig.2: schema a blocchi dell’esperienza

3.1) RILEVAZIONE DATI


fase in cui si rileva l’attività cardiaca sottoforma di impulsi attraverso degli elettrodi opportunamente posizionati sul corpo umano. Il cavo che li collega allo stadio successivo del circuito prevede un accurata schermatura da disturbi esterni.

Nel caso generale un sensore (o trasduttore) ha la funzione di convertire una qualunque grandezza fisica in una grandezza elettrica (tensione o corrente). Pertanto un trasduttore consiste in un componete elettronico (resistenza, capacità o induttanza) che varia il suo valore al variare della grandezza fisica che rileva (temperatura, umidità, pressione, etc.).

Un elettrodo invece è un particolare tipo di sensore che rileva una grandezza già di tipo elettrico (analogico) direttamente collegabile ad un circuito mediante cavi o trasmissioni a radiofrequenza.

3.2) AMPLIFICAZIONE


fase in cui il segnale, proveniente dai sensori, essendo troppo debole in termini di ampiezza ha necessità di essere amplificato.  In questo stadio si utilizza pertanto un amplificatore operazionale per strumentazione: l’INA131, il quale ha le seguenti caratteristiche (datasheet INA131):


fig.3: pin configuration


                         

dove G = Vo/(Vin+ - Vin-) e Rg è la resistenza esterna applicabile per variare il guadagno (senza resistenza esterna l’integrato amplifica da solo 100).

           

fig.4: struttura intera INA 131

Infatti, analizzando il circuito applicando il principio della sovrapposizione degli effetti, si ottiene (vengono chiamati Vo1 l’uscita di A1 e Vo2 quella di A2) :

a) Vin-  a massa :

b) Vin+  a massa :

Pertanto si sommano i valori delle Vo parziali :

, ovvero un differenziale con amplificazione 100 (si ricorda che

l’amplificazione è espandibile).

Matematicamente ciò è dimostrabile calcolando un semplice limite: non applicare nessuna resistenza RG vuol dire che ai capi della resistenza interna da 2,63k (cioè tra i morsetti 1 e 8) è presente un’ alta impedenza, (un circuito aperto per intendersi meglio), paragonabile ad una resistenza RG di valore elevatissimo, tendente all’infinito. In pratica:

G (senza resistenza esterna) =

3.3) FILTRO PASSA BANDA

in questo stadio il segnale si presenta in questo modo :


fig. 5: visualizzazione del segnale in seguito al filtraggio


fase in cui il segnale che esce dall’ INA 131 viene “filtrato”, ovvero si fa in modo che una qualsiasi componente continua non possa sommarsi al segnale in modo tale da disturbare quello utile facendo così variare l’ampiezza dell’onda (eliminazione dell’ effetto del valore medio).

Pertanto l’uscita dell’amplificatore si stabilizzerà in un preciso range di tensione (sono stati misurati valori che vanno dai -4V ai 9V).

Successivamente occorre limitare la banda in modo tale che frequenze superiori ad essa non disturbino anch’esse il segnale utile.

Considerando il nostro segnale analogico si potrebbe dire che il suo andamento assomigli molto a quello di un’onda rettangolare: un livello basso prossimo allo zero e picchi elevati con periodo relativamente breve di forma appunto simile a quella di un rettangolo.

Lo spettro del segnale da elaborare ha i seguenti parametri:

t = 100 ms, Tmax = 333 ms, cioè f max = 3 Hz e DC = 30 %).


fig.6: spettro dell’ impulso cardiaco


I valori di Xn (ampiezza delle armoniche) si calcolano:    

Considerando che  (spazio tra un’armonica e la sua successiva) e si ottiene:

, dove si può notare che per n=3,6,9, , Xn è uguale a 0 (fig. a sinistra).

In termini di frequenza si considera  (frequenza dell’n-esima armonica), in base al

quale lo spettro si può considerare sino alla 9^  armonica ((fig. a destra)

Ora, per escludere la componente continua, si imposta una valore fti uguale a 3 Hz mentre la

frequenza massima fts viene impostata a 33 Hz ().


fig.7: filtro passa banda



Siccome :

 (passa basso)

 (passa alto)

e considerando C1 = C2 = 1µF si ottiene

calcolabile anche attraverso la formula :

3.4a) COMPARATORE

in questo stadio il segnale si presenta in questo modo :


fig. 8: visualizzazione del segnale “squadrato”


fase in cui il segnale dell’impulso cardiaco viene “squadrato”, ovvero trasformare il segnale analogico composto da valori di tensione molteplici in soli due livelli : 0 e 1, in modo tale da rendere possibile la sua elaborazione a livello di software.

Il comparatore consiste in un amplificatore operazionale che ha all’ingresso non invertente una tensione di riferimento fissata da me pari a 6 V, e all’ingresso invertente il segnale dell’impulso cardiaco stesso.

Quando tale segnale raggiunge o al più supera la tensione di 6 V commuta a livello alto (1) corrispondente al valore positivo dell’alimentazione (+Vcc), altrimenti rimane a livello basso (0) corrispondente al valore negativo di alimentazione (-Vcc).

Come è possibile osservare dal grafico dell’impulso il picco di 6 V è possibile averlo solo in presenza di un’ onda R (picco positivo elevato).


fig.9: circuito comparatore



3.5a) ELABORAZIONE 1

fase in cui avviene la vera e propria misura dell’impulso cardiaco misurando il periodo che intercorre tra un impulso e il suo successivo.


Attraverso il seguente schema è possibile capire facilmente la logica utilizzata:


fig.10: logica elaborazione 1

Onda A : rappresenta il battito cardiaco (è il segnale che esce dal comparatore).

Onda B : rappresenta il segnale ad onda quadra generato da un circuito astabile con frequenza 100 Hz (0,01 sec).



fig.11: circuito astabile


Settando adeguatamente i registri del PIC si fa in modo che esso sia sensibile ad un interrupt in cui il segnale da livello logico basso passi a livello logico alto, facendo partire il contatore del TIMER (TMR0) il quale conterà il numero di impulsi dell’astabile tra due impulsi successivi del battito cardiaco.

Conoscendo quindi il numero di impulsi dell’astabile (TMR0) e la durata tra ciascuno di questi (TB) è possibile risalire alla durata di tempo che intercorre tra i due impulsi dell’onda A (TA) :

 

e quindi la frequenza :

Tuttavia questi sono i battiti al secondo; per ottenere i battiti al minuto basta moltiplicare per 60 :

 battiti/min.

Tutti questi calcoli sono gestiti tramite apposito software.

 



3.6a) VISUALIZZAZIONE FREQUENZA (LCD)

fase in cui il PORTB del PIC viene collegato ad un display LCD per visualizzare il valore numerico che assume la frequenza dell’impulso cardiaco. Si utilizza pertanto un software.

                       

3.4b) CONDIZIONAMENTO

fase in cui il segnale in uscita dall’INA 131 viene portato ad un range compreso tra 0 e 5 V. Questo per poter utilizzare tutta la scala di tensione di conversione di cui dispone l’ADC (convertitore analogico-digitale) allo scopo di ottenere la miglior risoluzione consentita:

dove Vfs è chiamato “valore di fondo scala” e corrisponde ai 5V che si vogliono raggiungere e n è il numero di bit utilizzati per la conversione. L’ADC utilizzato (quello interno al PIC 16f876) offre una conversione fino a 10 bit, ottenendo così una risoluzione di circa 4,8mV.

Per questo scopo (portare il range di tensione tra 0 e 5V) si utilizza un amplificatore operazionale in configurazione differenziale :


fig. 12: circuito differenziale


I valori delle resistenze sono definiti dai rapporti

Sapendo che   è possibile regolare per prima cosa l’offset, portando il valore

minimo da -4V a 0V.

Successivamente mediante la formula   si porta il valore massimo da 9V a 5V.

Pertanto:     =  e   =  ,

rapporto in base al quale è necessario disporre nel circuito reti di resistenze in serie e/o in parallelo a causa delle limitazioni dovute ai valori delle resistenze in commercio.

Inoltre è necessario calcolare la frequenza massima che riesce a rilevare il convertitore utilizzando i seguenti parametri: numero di bit di conversione uguale a 10 e tempo di conversione tc dell’ ADC uguale a 2*0,25 µs (fosc/2 impostata da programma, dove fosc corrisponde al clock di sistema, ovvero 4MHz). Quindi:

, per mantenere costante il segnale durante la fase di conversione,

e nel nostro caso corrisponde a 33 Hz, valore che si trova all’interno dell’intervallo consentito (non serve inserire un Sample/Hold). Inoltre la frequenza di campionamento massima è data dalla formula:

Per il teorema di Shannon, fc deve essere almeno il doppio della frequenza massima (33 Hz); pertanto il campionamento sarà effettuato a 264 Hz (8 volte la frequenza massima).

3.5b) ELABORAZIONE 2

in questo stadio il segnale si presenta in questo modo : 0010011001 (valore arbitrario), ovvero ad

ogni intervallo pari a    secondi (circa 3,8 ms) il valore che assume il segnale analogico in quel

momento viene associato ad un valore digitale secondo la formula :

 ,

dove N è il valore digitale ottenuto, Vi il valore analogico acquisito, n il numero di bit della conversione e Vfs il massimo valore di tensione che l’ADC può acquisire nonché la sua tensione di alimentazione.

Attraverso il seguente programma avviene la conversione:

            list p=16f876

 #include <p16f876.inc>

                     ORG       0100H  

START          BSF        STATUS,RP0   ;vado nel banco 1

                     BSF        TRISA, 3         ;setto il pin 3 di port A come ingresso

                     CLRF      TRISC             ;setto tutti i pin di port C come uscite

                     CLRF      ADCON1         ;setto il pin 3 di port A come ingresso analogico

                     BCF        STATUS, RP0  ;torno nel banco 0

           

                     BSF        ADCON0, 0    ;attivo il convertitore A/D

                     BSF        ADCON0, 3    ;imposto RA3 come ingresso analogico da tradurre

                     BSF        ADCON0, 4    ;in digitale

                     BCF        ADCON0, 5   

           

LOOP           BSF        ADCON0,2

START2       BTFSC    ADCON0,2     ;controllo sull’inizio della conversione

                     GOTO     START2     

                     MOVF    ADRESH, W    ;salvo il risultato della conversione nell’accumulatore

           

     

;Trasmissione del byte contenuto nell'accumulatore

TXW             BSF        STATUS,RP0   ;il registro TXSTA è nel banco 1

WAITTX      BTFSS     TXSTA,1

                     GOTO     WAITTX         ;aspetta TX libero

                     BCF        STATUS,RP0

                     MOVWF TXREG            ;il risultato della conversione viene spostato in TXREG

           

                     END

La subroutine TXW permette di inviare i dati ad un modulo trasmettitore a radiofrequenza attraverso un’interfaccia RS232 (bus seriale).

3.6b) TRASMISSIONE A RADIOFREQUENZA

fase in cui il dato digitale in uscita dal PIC viene trasmesso a radiofrequenza presso una postazione di controllo che debba monitorare l’andamento del battito cardiaco.

In ogni tipo di trasmissione digitale esistono due tipi di trasmissione: quella parallela e quella seriale.

Se da un lato una trasmissione parallela possiede una maggior efficienza e velocità (anche se a causa di un eventuale disallineamento del segnale, detto skew, questo non è sempre vero), non è possibile utilizzarla per canali di trasmissione che superano i 10 metri di lunghezza, lunghezza oltre il quale si perderebbe il dato.

Per questo motivo, dovendo effettuare una trasmissione a distanza a radiofrequenza, bisogna utilizzare quindi una trasmissione seriale.

L’interfaccia seriale utilizzata è l’ RS232.

L’ADC interno al PIC ha un’uscita dati parallela che viene convertita in seriale e interfacciata con l’RS232 al modulo trasmettitore, interna anch’essa la PIC.

Nelle pagine seguenti verranno spiegati in dettaglio le caratteristiche dei seguenti dispositivi:

-        RS232

-        TX_DFM 12V

-        RX_DFM 3V3

3.6b.1) RS232

L'interfaccia RS-232 utilizza un protocollo seriale asincrono; il segnale elettrico è non bilanciato.

Vediamo di spiegare il significato di questi termini:

  • Seriale specifica che i bit che costituiscono l’informazione sono trasmessi sequenzialmente, uno alla volta su di un solo 'filo'. Questo termine è in genere contrapposto a 'parallelo', termine che indica una tipologia di trasmissione in cui i dati viaggiano contemporaneamente su più fili, per esempio 8, 16 o 32.
  • Asincrono significa, in questo contesto, che i dati sono trasmessi senza l’aggiunta di un segnale di clock, cioè senza alcun segnale comune tra trasmettitore e ricevitore destinato a sincronizzare il flusso di informazioni; ovviamente sia il trasmettitore che il ricevitore devono comunque essere dotati di un proprio clock locale per poter interpretare correttamente i dati
  • Un segnale non bilanciato (o single ended) è caratterizzato dal fatto che la tensione associata al bit trasmesso o ricevuto viene misurata rispetto ad un riferimento comune detto massa. Nel caso dei segnali RS232 questa tensione può essere sia positiva che negativa.

Le unità di misura della velocità di trasmissione sono essenzialmente due: il baud ed il bit per secondo (bps o b/s), spesso trattate erroneamente come sinonimi.

  • Il baud (o anche baud rate) indica il numero di transizioni al secondo che avvengono sulla linea. Esso è associato alla banda occupata dal segnale, inteso come segnale analogico. Il cavo utilizzato per la trasmissione viene dimensionato in funzione a tale valore: in teoria serve una banda passante pari ad almeno alla metà del baud rate anche se nella realtà è bene utilizzare cavi con banda molto più ampia
  • Il bps indica, come dice il nome, quanti bit al secondo sono trasmessi lungo la linea. Questa è la velocità effettiva della trasmissione vista dai dispositivi digitali.

Nel caso di trasmissione binaria (cioè è presente un livello di tensione alto ed uno basso) baud rate e bps coincidono numericamente, da cui la parziale equivalenza dei due termini.

Nell’immagine che segue è visualizzato, in modo idealizzato, cosa appare collegando un oscilloscopio ad un filo su cui transita un segnale RS-232 a 9600 bps del tipo 8n2 (più avanti verrà spiegata questa sigla) rappresentante il valore binario 00110000.

rs232 - Trasmissione di un byte seriale

fig. 13: struttura segnale RS232

L’ampiezza del segnale è caratterizzata da un valore 'alto' pari a circa +12V ed un valore 'basso' pari a circa –12V. Da notare che, nello standard RS-232 un segnale alto rappresenta lo zero logico ed uno basso un uno.

Tutte le transizioni appaiono in corrispondenza di multipli di 104 µs, pari ad 1/9600 cioè ciascun bit dura esattamente l'inverso del baud rate.

La linea si trova inizialmente nello stato di riposo, bassa (nessun dato in transito); la prima transizione da basso in alto indica l’inizio della trasmissione (inizia il 'bit di start', lungo esattamente 104us). Segue il bit meno significativo (LSB), dopo altri 104 us il secondo bit, e così via, per otto volte, fino al bit più significativo (MSB). Da notare che il byte è trasmesso 'al contrario', cioè va letto da destra verso sinistra. Segue infine un periodo di riposo della linea di almeno 208 us, cioè due bit di stop e quindi (eventualmente) inizia un nuovo pacchetto di bit con un nuovo bit di start (in grigio nel disegno).

Le varianti possibili sono le seguenti:

  • Se la trasmissione è più veloce o più lenta, la distanza tra i fronti varia di conseguenza (p.e. a 1200 bps le transizioni avvengono a multipli di 0,833 ms, pari a 1/1200)
  • Invece di trasmettere 8 bit, ne posso trasmettere 6, 7
  • Alla fine è possibile aggiungere un bit di parità, descritto più avanti
  • Alla fine la linea rimane nello stato di riposo per almeno 1 o 2 bit; notare che, se non ho più nulla da trasmettere, il 'riposo' è molto più lungo, ovviamente.

In genere il formato del pacchetto trasmesso è indicato da una sigla composta da numeri e cifre, per esempio 8n1 e 7e2:

  • La prima cifra indica quanti bit di dati sono trasmessi (nei due esempi rispettivamente 8 e 7)
  • La prima lettera il tipo di parità (rispettivamente nessuna ed even-parity, cioè parità pari)
  • La seconda cifra il numero di bit di stop (rispettivamente 1 e 2)

Tenendo conto che esiste sempre un solo bit di start, un singolo blocco di bit è quindi, per i due esempi riportati, costituito rispettivamente da 10 (1+8+0+1) e 11 (1+7+1+2) bit. Da notare che di questi bit solo 8 e, rispettivamente, 7 sono effettivamente utili.

Lo standard originale prevede una velocità fino a 20Kbps.

Oltre ai bit dei dati (in numero variabile tra 5 ed 9) viene inserito un bit di parità (opzionale) per verificare la correttezza del dato ricevuto. Esistono diversi tipi di parità:

  • None: nessun tipo di parità, cioè nessun bit aggiunto
  • Pari (even): il numero di mark (incluso il bit di parità) è sempre pari
  • Dispari (odd): il numero di mark (incluso il bit di parità) è sempre dispari

L'idea è quella di predeterminare la quantità di 1 (e di conseguenza di 0) da trasmettere, facendo in modo che il loro numero sia sempre pari (o dispari, a secondo della scelta che si vuole fare): così facendo, se durante la trasmissione dovesse accadere un errore su un singolo bit, il ricevitore sarebbe in grado di rilevare l'errore, ma non di correggerlo. Si tratta ovviamente di un protocollo di controllo degli errori elementare e di conseguenza in disuso a favore di altri sistemi basati su codici a ridondanza ciclica (CRC).

La tensione di uscita da un trasmettitore RS232 deve essere compresa in valore assoluto tra 5V e 25V.A volte le tensioni in uscita sono intenzionalmente diminuite a +/- 6V anziché 12V per permettere minori emissioni EMC, peraltro sempre critiche, e favorire maggiori velocità di trasmissione.

Il ricevitore deve funzionare correttamente con tensioni di ingresso comprese, sempre in modulo, tra i 3V ed i 25V.

L’impedenza di uscita del trasmettitore deve in ogni situazione essere maggiore di 300 ohm; l’impedenza di ingresso deve essere compresa tra i 3 ed i 7 kohm, anche a dispositivo spento. La corrente prelevabile in uscita mantenendo i corretti valori logici deve essere di almeno di 1.6 mA (potrebbe però essere maggiore, anche di un ordine di grandezza) e nel caso di corto circuito deve comunque essere minore di 100mA.

Infine lo slew-rate (cioè la pendenza del grafico del segnale nel passare da 1 a 0 o viceversa) deve essere minore di 30V/µs per evitare eccessive emissioni elettromagnetiche.

In genere i segnali utilizzati dai sistemi digitali sono 'TTL compatibili', cioè variano tra 0 e 5V, oppure variano tra 0 V e 3,3 V: non sono quindi direttamente compatibili con la standard RS232. In commercio esistono appositi traslatori di livello che hanno il compito di fornire sia in trasmissione che in ricezione gli opportuni livelli.

Questi integrati contengono un inverter per ciascun canale e quindi, per esempio, se in ingresso è presente una tensione di -12V (cioè 'uno' logico)  in uscita saranno ovviamente presenti 5V (cioè 'uno' logico).

Il MAX232 è un circuito integrato che permette il collegamento tra logica TTL o CMOS a 5V e le tensioni RS-232, partendo solo da un'alimentazione a 5V.

Per ottenere la tensione positiva e negative necessarie per il funzionamento dell'integrato è usata una configurazione a pompa di carica, circuiti che sfruttano la caratteristica dei condensatori di potersi caricare e scaricare, variando il numero di cariche elettriche e quindi valori di tensione.

Nei personal computer sono disponibili due tipi di connettori RS-232: DB9 (nove pin) e DB25 (25 pin, il connettore originale e presente solo sui PC più vecchi); ambedue i connettori sono maschi e praticamente identici dal punto di vista funzionale anche se non coincidente con quello proposto dallo standard ufficiale.

Data Out (O)

Quando non c'è flusso dati deve essere a potenziale inferiore a -3V

Data In (I)

Quando non c'è flusso di dati deve essere a potenziale inferiore a -3V.

RTS, Request To Send (O)

Una transizione a ON (V>3V) indica all'apparato collegato che il PC deve iniziare una trasmissione.

Dopo la transizione il PC attende un segnale ON (V>3V) sulla linea CTS per poi iniziare la

trasmissione. Durante la trasmissione RTS deve essere ON.

CTS, Clear To Send(I)

Il periferico segnala (eventualmente per risposta ad RTS) di essere pronto

per ricevere dati. Deve essere ON affinché ci sia scambio di Dati.

DSR, Data Set Ready(I)

 Lo stato ON indica che l'apparato collegato è pronto per ricevere e/o

trasmettere dati, cioè è attivo.

DTR, Data Terminal Ready(O)

Con il livello ON il PC comunica di essere pronto a ricevere e/o trasmettere dati.

Durante le comunicazioni deve essere presente la condizione ON (tensione superiore a 3V) su tutti i circuiti di controllo: RTS, CTS, DSR, DTR.

TX-DFM 12V e RX-DFM 3V3

Come già detto, questi moduli sono interfacciati con il PIC (TX) e con il PC (RX) mediante un bus dati seriale, l’RS232.

Questo dispositivo prende il nome di:

TX-DFM_12V (sezione trasmettitrice);

RX-DFM_3V3 (sezione ricevitrice).

3.6b.2) TX-DFM 12V

fig. 14: schema a blocchi struttura interna TX-DFM 12V

Number Pin Out:


1) +12V                                   

2) Tx Enable (+3-5V)                       

3) Ground                              

4) Data Input                         

5) Auxiliary Output

9) Ground

13) Ground

15) RF Output

16) Ground


Caratteristiche tecniche :

-        Frequenza portante in assenza di modulazione (pin4=0,5V max) uguale a 433,65 MHz;

-        Modulazione 2FSK con Df=+150 kHz (pin4=+3-5V);

-        Frequenza di modulazione in onda quadra: 10 kHz max;

-        Baud rate max : 19200 bit/s;

-        Impedenza di uscita RF : 50 W;

-        Potenza di uscita RF su carico 50 W : <10mW (z+10 dBm);

-        Tempo di accensione < 500 µs;

-        Alimentazione: 10,8V – 13,2V;

-        Assorbimento con TX attivo (pin2= +3-5V): 15 mA tipici;

-        Assorbimento nullo  con TX disattivato (pin2=0,5V max);

-        Uscita ausiliaria di alimentazione (12V, corrente max 10 mA) abilitata da TX Enable (pin2);

Pin Out :

1-Power Supply.

2-Tx Enable. Se a tensione positiva (3-5V), consente l’alimentazione dell’intero sistema compreso il pin Aux Out; se a tensione nulla (max 0,5V), consente il totale spegnimento del trasmettitore con conseguente consumo nullo. Il sistema, quando viene abilitato, trasmette la portante a frequenza nominale (433,65 MHz) se il pin Data Input è a 0V (max 0,5V) e ad una frequenza spostata in alto di circa +150 kHz se il pin Data Input è a 3-5V: è richiesta un’attesa massima di 500 µsdall’istante di abilitazione prima di poter commutare il dato da 0 a 1 o viceversa.

3- Ground.

4- Data Input. Se basso (max 0,5V), la portante rimane al valore della frequenza nominale (433,65 MHz); se alto (3-5V),  la frequenza di modulazione è di 10 kHz in onda quadra. Il sistema è a modulazione diretta e pertanto non ha limite minimo di frequenza di modulazione, accetando anche 0 Hz.

5- Aux Out. Tensione di alimentazione ausiliaria presente quando il Tx è abilitato. Consente di alimentare dispositivi che si vuole non assorbano quando il sistema è disabilitato : 10 mA max disponibili.

9- Ground.

13- Ground.

15- RF Output. Disponibile una potenza RF inferiore a 10mW su carico da 50 W.

16- Ground.

3.6b.3) RX-DFM 3V3

fig. 15: schema a blocchi struttura interna RX-DFM 3V3

Number Pin Out:

1) RF Input                              

2) Ground      

7) Ground                              

8) Squelch level                                

10) Auxiliary Output

11)  Carrier Detect

12) Ground

14) Ground



17) Ground

18) Data Output

19) Rx Enable (+3-5V)         

20) +3,3V Supply

Caratteristiche tecniche :

-        Frequenza di ricezione: 433,65 MHz + 150 kHz;

-        Impedenza d’ingresso RF: 50 W;

-        Sensibilità RF: -100 dBm;

-        Baud rate 2400 – 19200 bit/sec;

-        Uscita dati open collector (pin 18) con corrente max 5 mA;

-        Uscita ausiliaria (pin 10) abilitata da RX Enable (pin 19): corrente max 10 mA;

-        Livello logico in uscita normalmente basso (0V) in assenza di modulazione;

-        Tempo di accensione < 1 ms;

-        Abilitazione della ricezione (pin 19) con porte logiche TTL o CMOS: RX Enable = 3-5V;

-        Alimentazione singola: 3,1-3,5 V con assorbimento minore di 15 mA (tipico 13 mA);

Pin Out :

1 – RF Input. Richiesta un’antenna con 50 ohm di impedenza RF.

2 – Ground.

7 – Ground.

8 – Set Squelch Level. Poichè il pin 8 è al centro di un partitore 100k/6,8k direttamente collegato alla tensione di alimentazione, la tensione nominale di squelch senza tarature aggiuntive vale 210 mV.

10 – Aux Out. Tensione di uscita ausiliaria presente quando il ricevitore è attivo. Consente di alimentare dispositivi che si vuole non assorbano quando il sistema è disattivo: 10 mA max disponibili.

11 – Carrier Detect. Alto se il livello di segnale RF in ingresso supera la soglia impostata.

12 – Ground.

14 – Ground.

17 – Ground.

18 – Data Output.  Open collector da terminare al valore di tensione opportuno (max 5 mA disponibili). Tipico valore resistivo: 10 k.

19 – RX Enable. Se a tensione positiva (3-5 V) abilita l’intero ricevitore compreso Aux Out. Se basso (0,5 V) consente il totale spegnimento con consumo nullo.

20 – Power Supply.

3.7) VISUALIZZAZIONE SEGNALE (PC)

fase in cui il PC viene utilizzato come oscilloscopio per visualizzare la forma d’onda del segnale.

Questo stadio consiste essenzialmente in un software in Visual Basic.

Non c’è bisogno di riconvertire in analogico il segnale ricevuto in quanto il PC è un sistema che lavora con cifre binarie (0 e 1), ovvero segnali digitali.

4) APPROFONDIMENTO: LE ANTENNE

4.1) CONCETTI GENERALI

Tra tutti gli argomenti e i concetti sin qui analizzati è stato solo accennato l’utilizzo di un’antenna per la trasmissione a radiofrequenza.

Essendo questo un tema di mio forte interesse ho dedicato in questa tesina un approfondimento a parte su questi dispositivi di trasmissione.

Un’ antenna è quindi un dispositivo in grado di irradiare e captare onde elettromagnetiche:

trasforma un campo elettromagnetico captato in un segnale elettrico e irradia sottoforma di campo elettromagnetico il segnale elettrico con il quale è alimentata.

Nelle telecomunicazioni interessa il campo di radiazione il quale è caratterizzato da un campo elettrico E ed un campo magnetico H perpendicolari fra loro e rispetto alla direzione di propagazione. I moduli dei campi sono legati dalla relazione:

dove Z0 è l’impedenza caratteristica del vuoto,  è la permeabilità magnetica del vuoto e  è la costante dielettrica del vuoto.

a) ANTENNA TRASMITTENTE: se alimentata da un segnale, assorbe l’energia che poi restituisce nello spazio circostante sottoforma di onda elettromagnetica.

b) ANTENNA RICEVENTE: assorbe energia da un’onda elettromagnetica che la investe generando tensione ai suoi capi.

Un’antenna svolge entrambe le funzioni (principio di reciprocità).

Bisogna dire che qualsiasi oggetto conduttore si comporta da antenna per qualsiasi frequenza dell’onda elettromagnetica e del segnale con cui viene alimentata.

Ma questo fenomeno a queste condizioni è trascurabile.

Esso diventa significativo quando, invece, la frequenza dell’onda elettromagnetica corrisponde alla frequenza di risonanza elettromagnetica dell’oggetto:

se un qualsiasi conduttore corrisponde alla lunghezza d’onda si comporta come un’antenna (amplifica il segnale ricevuto).

Le tensioni in uscita dell’antenna (o il campo elettromagnetico generato) sono utilizzabili per la ricezione e la trasmissione radio.

4.2) IL DIPOLO ELETTRICO

Il tipo di antenna più elementare che esista utilizzato anche come parametro di confronto con i tipi di antenna più evoluti è il DIPOLO ELETTRICO.

Il dipolo elettrico è formato da due “spezzoni” di cavo elettrico ciascuno lungo un quarto di lunghezza d’onda, in quanto con questa lunghezza il movimento delle cariche sui conduttori stessi è in fase, e, pertanto, si ha radiazione elettromagnetica.

fig. 16: variazione del campo elettrico (in alto) e di quello magnetico (in basso) lungo la linea di trasmissione e lungo il dipolo elettrico

Il guadagno è innanzitutto un confronto tra l’antenna considerata e una di riferimento detta isotropica, cioè che irradia in modo uniforme in tutte le direzioni dello spazio (nella realtà è impossibile).

Un’antenna, infatti, irradia di più in alcune direzioni e meno in altre rispetto a quella isotropica; si dice che l’antenna ha una precisa direttività caratterizzata da un verso e una lunghezza, il guadagno appunto.

4.2.1) DENSITA’ DI POTENZA E GUADAGNO

Esso è espresso come il rapporto tra la densità di potenza del radiatore isotropico moltiplicata per la sua superficie e la potenza dell’antenna reale nella direzione in cui l’intensità di campo è massima.


Questa formula esprime la densità di potenza del radiatore isotropico e  si può notare che il valore massimo si ottiene con q uguale a p/2 e corrisponde a:

   mentre con la seguente formula si esprime la potenza irradiata dall’antenna

reale:     

Il guadagno si esprime quindi:         

 

 che con l’angolo che assume valore massimo risulta:      

e vale 1,64 (R=73 W) per il dipolo elettrico e 3,3 (R=36 W) per l’antenna marconiana (verticale).

4.2.2) IMPEDENZA CARARATTERISTICA

Ogni antenna, inoltre, ha la sua impedenza caratteristica in modo che l’onda che si propaga venga completamente trasmessa e non riflessa.

Questa è ottenibile conoscendo la potenza totale irradiata dal dipolo e l’intensità di corrente che l’ha generata:    

dove L è la lunghezza fisica dell’antenna, l è la lunghezza d’onda e I l’intensità di corrente.

Sapendo che   e che    si ottiene:      

Si definisce pertanto resistenza di radiazione il rapporto fra la potenza irradiata Prad ed il quadrato del valore efficace della corrente calcolato nel punto dell’antenna in cui questa è massima.

Per bilanciare l’impedenza del mezzo canale di trasmissione con l’impedenza dell’antenna si usano trasformatori d’impedenza chiamati baloon (balanced/unbalanced).

4.2.3) AREA EFFICACE E POTENZA RICEVUTA

Adesso prendiamo come esempio un’antenna a parabola; la potenza dell’onda che investe il dispositivo stesso viene rilevata dall’antenna centrale della parabola (densità di potenza) e moltiplicandola per l’intera superficie ottenendo così l’effettiva potenza ricevuta.

Tuttavia questo concetto è solo puramente ideale, in quanto la superficie interessata (area efficace, Aeff) non è propriamente definita come la superficie fisica dell’antenna ricevente (Af), ma i due valori differiscono di un rapporto ma, chiamato efficienza superficiale:

dove d è il diametro del paraboloide.

Per un qualsiasi tipo di antenna l’area efficace si esprime:      

Dalla formula del guadagno si deduce che la densità di potenza vale:

Per quanto detto, quindi, la potenza ricevuta da un’antenna, essendo uguale al prodotto tra la densità di potenza e la sua area efficace, sarà uguale a:

fig. 17: concetto di densità di potenza

(nel caso di antenna reale si avrà una maggiore direttività verso l’antenna ricevente).

4.2.4) RENDIMENTO

Per tenere conto delle perdite di potenza dell’antenna, cioè del suo rendimento si definisce guadagno di potenza Gp di un’antenna il rapporto fra la densità di potenza irradiata nella direzione di massima radiazione dell’antenna in esame e la densità di potenza irradiata dal radiatore isotropico supposto privo di perdite a parità di potenza di alimentazione.

Definendo rendimento dell’antenna il rapporto fra potenza irradiata dall’antenna stessa e la potenza di alimentazione:

con Pa>Prad, per cui il rendimento è minore di uno, a causa delle perdite nell’antenna dovute alla resistenza dei conduttore, all’imperfetto isolamento dei supporti, alla potenza assorbita da eventuali parti metalliche in prossimità dell’antenna ecc.

Esprimendo l’effetto delle perdite con una resistenza Rd si ha:

4.2.5) BANDA PASSANTE

4.3) IL DIPOLO RIPIEGATO

Importante è ora esprimere il concetto di dipolo ripiegato, il cui principio di funzionamento è abbastanza semplice.

Se pensiamo un comune dipolo, e gli disponiamo parallelamente, molto vicino (di solito a centesimi di lunghezza d'onda) un altro dipolo cortocircuitato al centro, il secondo dipolo è percorso da una corrente indotta dal primo e, data l'estrema vicinanza, le due correnti sono praticamente uguali.

fig.18: concetto di dipolo ripiegato

A parità di potenza irradiata dal dipolo l/2 e dal dipolo ripiegato, in quest’ultimo la corrente è la metà e, pertanto, la resistenza di radiazione è 4 volte superiore.

Perché usare il dipolo ripiegato? Ci sono parecchi validi motivi:

    • la resistenza di radiazione elevata garantisce un'alta efficienza anche in presenza di perdite non proprio contenute;
    • in antenne come la Yagi, la resistenza di radiazione si abbassa all'aumentare del numero di elementi, per cui usare un dipolo ripiegato mantiene più elevata la resistenza di radiazione finale, semplificando l'adattamento (e, come sopra, riducendo il fattore di perdita);
    • la costruzione meccanica dà notevole robustezza all'assemblaggio, che risulta quindi più solido di altre antenne;
    • la costruzione è semplice ed economica, perché si può ottenere da un unico profilato metallico piegato opportunamente (da cui il nome di dipolo ripiegato);
    • il centro del dipolo cortocircuitato presenta sempre tensione nulla, quindi può essere messo a terra. In particolare, può essere avvitato senza problemi ad un tubo metallico (il 'boom' o 'boma' dell'antenna), cosa che non si può fare con il dipolo semplice;

4.4) ANTENNA YAGI

L’antenna Yagi si basa quindi sul principio del dipolo ripiegato, le cui caratteristiche principali solo l’elevato guadagno ed una larghezza di banda molto ristretta.

fig. 19: struttura antenna Yagi

La particolarità delle antenne Yagi-Uda consiste nel fatto che uno solo degli elementi è alimentato direttamente dalla linea (viene detto 'elemento radiatore ed è un dipolo ripiegato), mentre tutti gli altri sono alimentati per induzione dall'elemento attivo. In linea di massima quindi nelle antenne Yagi-Uda lo sfasamento tra le correnti nei vari dipoli è dettato dalla distanza tra di essi. Poiché è lo sfasamento delle correnti che determina la forma e l'ampiezza dei lobi di radiazione, per ottenere il risultato che si vuole ci sono due possibili maniere:

  • si fanno tutti gli elementi lunghi mezz'onda e si distanziano in maniera variabile secondo necessità;
  • si mantiene costante la spaziatura e si fanno gli elementi un po' più lunghi, per aggiungere uno sfasamento induttivo, oppure un po' più corti, per introdurre uno sfasamento capacitivo.

Attualmente entrambi i metodi sono spesso applicati contemporaneamente, facendo così elementi di lunghezza diversa e a spaziatura variabile.


fig. 20: effetto dell’applicazione di direttori e riflettori


Più sono i direttori, più aumenta il guadagno dell’antenna verso una precisa direzione (fino ad un massimo di 20 dB). Esso si calcola:   GT = 1.66 * N,

dove N è il numero di elementi (dipoli) dell’antenna.

Questi, tuttavia, hanno un numero finito (all’incirca una quindicina).

4.5) ANTENNA LOGPERIODICA

A differenza delle antenne yagi presentano tutti gli elementi attivi e la loro frequenza di funzionamento può variare.                                                                              
A seconda della frequenza di funzionamento variano gli elementi. La regione di frequenza con cui lavorano i singoli elementi è detta regione attiva, il numero di elementi presenti non serve a variare il guadagno della log periodica(compreso tra 8 e 10 dB) bensì a variare il range di frequenza di  utilizzo dell'antenna.           
Le antenne log-periodiche hanno una geometria diversa rispetto alle yagi e ogni elemento viene alimentato grazie a un singolare procedimento:per ovviare al problema della dissipazione di potenza da parte dell'elemento più lungo il generatore è collegato,in modo incrociato a tutti gli elementi partendo dal più corto.



fig.21: struttura antenna logperiodica


Ogni dipolo, pertanto, risuona ad una determinata frequenza.

A tale frequenza, quindi, il relativo dipolo di risonanza si comporterà da elemento attivo (radiatore) e gli altri da riflettori e direttori (principio di funzionamento della Yagi), aumentando notevolmente la larghezza di banda (200MHz – 1 GHz, le quali rientrano nel range delle UHF).

Il guadagno e la resistenza di radiazione si mantengono, tuttavia,  sufficientemente costanti su tutta la banda.

Il dipolo più lungo determina la frequenza minima di funzionamento, mentre quello più corto determina quella massima.

Il rapporto fra le lunghezze di elementi adiacenti e fra le distanze di elementi consecutivi è costante:

           (0,7 < t <0,98)  e  (0,07 lMAX < d1 < 0,09 lMAX )


C:WINDOWSDesktopImage2.jpg

La costante t è denominata  fattore di progetto e determina il guadagno

Presenta un guadagno compreso fra 7dB e 12dB rispetto al singolo dipolo

fig. 22: dimensionamento parametri di costruzione


4.6) ANTENNA BICONICA

L’ultimo tipo di antenna che andremmo ad analizzare è l’antenna biconica.

Questo tipo di antenna è sicuramente la più usata nelle prove EMC e pertanto è necessariamente utile conoscere e approfondire le sue caratteristiche.

Esse sono un tipico esempio di antenna per misure a larga banda, ovvero presentano sostanzialmente 2 caratteristiche:

1) impedenza d’ingresso costante nella banda di frequenza in cui è previsto l’impiego;

2) diagramma di irradiazione costante nella banda di frequenza in cui è previsto l’impiego;

Per studiare un’antenna biconica partiamo da una struttura ideale (non realizzabile praticamente) costituita da due coni di altezza infinita e di apertura qh con una piccola separazione (gola) in corrispondenza del punto di alimentazione.


fig. 23: struttura antenna biconica


Si considerano ora due punti A e B situati sui 2 coni della struttura, in posizione simmetrica dal centro e a distanza r da questo.

Considerando la lunghezza dei coni infinita si può supporre che la sorgente di tensione alimenti un carico infinito; pertanto non c’è onda riflessa, ma solo onda diretta, la cui tensione (V+) e corrente (I+) valgono:

 (non dipende dal raggio r) e

L’impedenza caratteristica della struttura biconica illimitata è :



da cui si ottiene:  (con 50 W l’angolo vale circa 66°47’).

Se la struttura non è limitata Zc dipende non più da qh ma da w, per cui l’adattamento perfetto risulta valido solo per un valore di w stesso.

Nella pratica le antenne biconiche sono realizzate tramite coni troncati. Il troncamento equivale ad avere un’impedenza di carico rappresentativa dello spazio che assorbe potenza.

Se il carico fosse adattato non ci sarebbe onda riflessa e la situazione si riconduce alla precedente (impedenza caratteristica resistiva).

Viceversa nascono delle onde riflesse che si propagano verso la sorgente (comparsa si una parte immaginaria nell’ impedenza caratteristica).

Quindi si fa riferimento al rapporto d’onda stazionario (ROS):

In presenza di adattamento  è uguale a 0 (ROS = 1). In caso contrario (quasi sempre) si tollerano valori di ROS non superiori a 1,2 (, in base al quale la larghezza di banda è definita.

5) TEST DI LABORATORIO EMC

Un’antenna, pertanto, è il principale mezzo di trasmissione via etere di cui disponga l’odierna tecnologia.

Tuttavia il principio dell’antenna è sfruttato anche in alcuni test di laboratorio, per esempio per le prove di compatibilità elettromagnetica svolti nei laboratori ETL (prove EMC).

Ho infatti potuto constatare in prima persona lo svolgimento di tali prove avendo svolto presso uno di essi l’esperienza di alternanza scuola-lavoro.

Ma facciamo un passo alla volta: perché si effettuano le prove di compatibilità elettromagnetica?

5.1) FONTI NORME emc e GENERALITa’

Qual’ora si volesse immettere all’interno del mercato europeo un qualsiasi prodotto industriale è necessario che questo venga sottoposto a determinati controlli affinché possa rispettare precise prescrizioni (naturalmente a livello europeo) in modo tale che tale prodotto non possa recare danno di alcun tipo.

Il CEN, o Comitato Europeo di Normazione, è un ente normativo che ha lo scopo di armonizzare e produrre norme tecniche (EN) in Europa in collaborazione con enti normativi nazionali e sovranazionali quali per esempio l'ISO.

Il CEN, fondato nel 1961, lavora in accordo alle politiche dell'Unione Europea e dell'EFTA (Associazione europea di libero scambio) per favorire il libero scambio, la sicurezza dei lavoratori e dei consumatori, la protezione dell'ambiente. Gli standard europei prodotti dal CEN sono normalmente armonizzati e adattati dai singoli paesi che li accolgono come per esempio l'UNI in Italia. Una norma, pertanto, è una specifica tecnica, approvata da un organismo riconosciuto e abilitato ad emanare atti di normalizzazione, la cui osservanza sia obbligatoria e che appartenga ad una delle seguenti categorie: norma internazionale, norma europea, norma nazionale, adottate e messe a disposizione del pubblico, dietro dovuto pagamento, rispettivamente da un'organizzazione di normalizzazione internazionale, europeo o nazionale.

In conclusione, il valore giuridico delle Norme tecniche pubblicate da un organismo riconosciuto, è tale per cui la loro applicazione garantisce il rispetto della regola d’arte, e quindi della legge.

Ogni apparato o sistema elettronico durante il suo funzionamento può generare dei disturbi elettromagnetici che, oltre ad inquinare l'ambiente circostante, possono interferire con le radiocomunicazioni. Inoltre gli stessi apparati elettronici possono essere suscettibili alle interferenze elettromagnetiche, presenti in ogni ambiente, dovute sia a fenomeni naturali quali fulmini, scariche elettrostatiche ecc., sia da emissioni generate dai sistemi di telecomunicazioni, dagli apparati usati per le radio trasmissioni, o da impianti, apparati o dispositivi funzionanti con energia elettrica.

Dall’introduzione nel 1989 della Direttiva CEE sulla compatibilità elettromagnetica (89/336/EEC) tutti gli apparati, per la loro libera circolazione nei paesi dell'Unione Europea, devono conseguire dei requisiti essenziali di compatibilità elettromagnetica.

Tipo di Prova

Norme di riferimento

Emissione Condotta

EN 55011, EN 55022, EN 55014

Emissione Irradiata in Sito di Misura all'aperto

EN 55011, EN 55022

Armoniche di Corrente

EN 61000-3-2

Fluttuazioni di Tensione (Flicker)

EN 61000-3-3

Immunità alle Scariche Elettrostatiche (E.S.D.)

IEC 61000-4-2

Immunità Irradiata ai Campi Elettromagnetici

IEC 61000-4-3

Immunità ai Transitori Veloci (Burst)

IEC 61000-4-4

Immunità agli Impulsi ad Alta Energia (Surge)

IEC 61000-4-5

Immunità Indotta alla RadioFrequenza

IEC 61000-4-6

Immunità ai Campi Magnetici a 50-Hz

IEC 61000-4-8

Immunità alle Interruzioni e Variazioni di Tensione

IEC 61000-4-11

Tra le prove sopra elencate durate il mio periodo di alternanza ho effettuato le seguenti prove:

-        misure di emissioni condotte;

-        misure di emissioni irradiate;

-        misure delle armoniche di corrente e delle fluttuazioni di tensione (flicker);

-        prove di immunità irradiata;

-        prove di immunità ai campi magnetici a 50 Hz;

-        altre prove effettuate;

5.2) EMISSIONI IRRADIATE

Lo scopo del test, è stabilire che i disturbi emessi dall'EUT (equipment under test) in termini di campo elettrico siano al disotto della soglia imposta dalle norme di famiglia o di prodotto.
Per l'esecuzione del test, occorre far uso di un ricevitore EMI, posto all'interno della control room della camera semianecoica, conforme alla norme CISPR 16 e di antenne che coprano la banda di frequenza d'indagine.

Il test richiede che l'EUT sia posizionato, all'interno della camera semianecoica, su un tavolo rotante che, nel corso della misura, ne permette la rotazione di 360°. La prova si esegue nella banda da 30MHz a 1GHz, ed utilizza due antenne:

- Biconica 30 MHz - 200 MHz
- Log-periodica 200 MHz - 1 GHz

Nell'esecuzione della prova, per ciascuna delle due bande e in ciascuna polarizzazione (orizzontale e verticale) si varia l'altezza delle antenne da 1 m a 4 m, e si registrano i disturbi irradiati dall'EUT.
Tale procedura viene eseguita per ogni posizione angolare del tavolo su cui è posizionato l'EUT.
La misura è gestita tramite software dedicato.

DSCI000807032008027

fig. 24: postazione prova di emissione irradiata: cabina schermata (a sinistra) e zona elaborazione (a destra)

5.3) IMMUNITA’ IRRADIATE

Lo scopo del test è la verifica dell'immunità di apparecchiature, singoli apparati o sistemi ai campi elettromagnetici generati da altro dispositivo elettrico o elettronico.

Per l'esecuzione del test occorre un'area interna alla camera schermata che abbia un'uniformità di campo conforme alla norma EN 61000-4-3; al suo interno, su apposito tavolo in materiale isolante, è posto l'EUT.
La camera è provvista di telecamera che consenta l'osservazione del comportamento dell'EUT durante il test.
Il segnale di disturbo è trasmesso tramite antenna bilogica.

L'intervallo di frequenze che bisogna coprire è compreso nel range 26 MHz - 3 GHz mentre la misura è gestita tramite software dedicato.

Tra  le prove effettuate ritengo importante esporre una in particolare a fronte soprattutto delle conclusioni ricavate, ovvero della prova di immunità irradiata sull’ EUT di una saldatrice per tubi in PVC  trasportabile.

Al fine di diminuire i disturbi è stato aggiunto in un preciso punto del circuito interno in prossimità del morsetto d’ ingresso un condensatore.

Questo perché avendo all’ ingresso dell’ amplificatore operazionale che gestisce gran parte dell’ hardware segnali dell’ ordine dei mV, potrebbero essere  influenzati da disturbi esterni anch’ essi dell’ ordine dei mV.

Inserendo pertanto un condensatore in parallelo alla termocoppia che ha la funzione di registrare la temperatura della piastra saldante e una componente tendente alla continua si fa in modo da permettere che passi solo la medesima escludendo quindi tutti i segnali ad alta frequenza, compresi così i disturbi.

Lo stesso risultato si ottiene inserendo una mutua induttanza in serie alla termocoppia. In questo caso è importante anche la disposizione sul circuito in quanto, a seconda dell’ angolazione tra la mutua e altri componenti ferromagnetici presenti nel circuito stesso, le linee di forza possono influenzare notevolmente le misure, creando non pochi problemi.

Tuttavia la prova ha dato esito negativo in quanto il display della macchina segnalava una temperatura prossima ai 300 °C e quindi la scritta “ERRORE”.

Ripetendo la prova in data successiva cambiando il valore del condensatore abbiamo ottenuto un notevole miglioramento, ma non tale da considerarlo definitivo.

Abbiamo deciso, così, di provare a cortocircuitare la termocoppia e ripetere la prova.

Qual’ ora avesse dato ancora esito negativo, ovvero presenti ancora disturbi, si poteva concludere che i disturbi stessi, a quel punto, non potevano che provenire dalla scheda del circuito attraverso il cablaggio delle piste e non dai cavi e componenti vari.

5.4) ALTRE PROVE DI LABORATORIO

Tra le numerose prove di laboratorio effettuate, non tutte sono state richieste al fine di applicare il marchio CE.

Una di queste è lo studio del comportamento di un segnale modulato in FM mediante appositi e particolari strumenti disponibili presso il nostro laboratorio.

Modulando un segnale di frequenza 98,7 MHz, abbiamo prelevato ad intervalli regolari per un tempo totale di 6 minuti, tutti i valori che vanno a costituire la banda del segnale modulato.

Il tutto è stato gestito tramite un software in linguaggio Basic programmato da me e il mio compagno insieme all’ ingegnere.

Successivamente tale programma è stato convertito in un file excel : prelevando i valori massimi (calcolati sempre mediante software) è stato possibile ricostruire l’ inviluppo del segnale modulato.

La fase successiva è stata quella di misurare i valori reali delle attenuazioni di tutti i componenti che saranno utilizzati durante lo svolgimento della medesima prova effettuata in laboratorio ma in un sito aperto.

I vari componenti con le relative attenuazioni sono :

-        cavo di circa 3 metri = 0,3 dBm

-        attenuatore da 10 dB = 9,9 dB

-        attenuatore da 20 dB = 19,9 dB

-        disturbo dell’ analizzatore = 0 dBm

Un valore in dBm corrisponde a :      X dBm = 10*log10 (P/1 mW) ,

dove P è la potenza del segnale e viene espresso in mW per un’ impedenza di 50W.

Un valore di 1 W, per esempio, equivale a 30 dBm.

Infine abbiamo ripetuto la prova fornendo all’ analizzatore di spettro un segnale reale alla medesima frequenza tramite un’ antenna biconica.

5.5) FLICKER


Lo scopo del test è verificare che l'entità delle prime 40 armoniche della corrente di alimentazione assorbita dall'EUT sia al di sotto dei valori imposti dalla norma EN 61000-3-2, e che le fluttuazioni di tensione prodotte dall'EUT non abbiano una variazione superiore al 4% secondo quanto specificato dalla

EN 61000-3-3.

Prima di effettuare la prova viene stabilita la classe di appartenenza dell’ EUT, ovvero la categoria alla quale esso fa parte in base alle sue caratteristiche :

            classe A : tutti gli EUT non appartenenti alle classi B,C e D;

classe B : tutti gli EUT che si possono tenere in mano durante il loro utilizzo (trapano , asciugacapelli, …);

            classe C : EUT corrispondenti a sistemi per l’ illuminazione (lampade, neon, …);

            classe D : EUT corrispondenti a sistemi per la comunicazione (computer, telefoni, …);

A ciascuna classe corrisponde un determinato limite al disotto del quale devono mantenersi i risultati, visualizzate mediante un grafico che avrà nella maggior parte dei casi un andamento discontinuo a differenza di quello perfettamente puro del segnale d’ingresso fornito dal generatore a bassa distorsione che alimenta la rete del circuito dell’ EUT (230 V , 50 Hz). Questo è causato dalla complessità del circuito. La cui impedenza totale non sarà mai puramente resistiva ma influenzata da quelle miste induttive e/o capacitive.

5.6) EMISSIONI CONDOTTE

Lo scopo del test, è stabilire che i disturbi emessi dall'EUT, in termini di tensione, siano al disotto della soglia imposta dalle norme di famiglia o di prodotto.
Per l'esecuzione del test occorre far uso di un ricevitore EMI conforme alla norma CISPR 16 e di LISN (Line Impedence Stabilization Network) di opportuna portata in corrente.

La LISN viene introdotta per due motivi:

  • poiché la rete elettrica di alimentazione è essa stessa sede di disturbi, tali componenti potrebbero sommarsi a quelle prodotte dal dispositivo sotto test (detto anche EUT o DUT) influenzando il risultato della misure;
  • l'impedenza vista ai capi di una presa di alimentazione è molto variabile sia nel tempo che nello spazio, quindi misure fatte in luoghi o tempi diversi darebbero risultati non confrontabili.

La LISN deve quindi comportarsi come un filtro passa basso verso l'EUT (in modo da permettere il passaggio della corrente di alimentazione ma non dei disturbi a più alta frequenza) e deve mantenere un'impedenza di carico approssimativamente stabile nell'intervallo di frequenze previsto dalla normativa sulle emissioni condotte (cioè tra i 150 kHz e i 30 MHz).

L'EUT è alimentato dalla LISN, la quale collegata al ricevitore EMI, posto all'interno della control room, permette di rilevare i disturbi generati. La misura è gestita tramite software dedicato.


07032008029

fig. 25: zona elaborazione per prove di emissione condotta



Al fine di ridurre tali emissioni si va a modificare il circuito del prototipo inserendo appositi filtri di rete nella zona di alimentazione. Ciascun componente del filtro ha il compito di lavorare in determinate bande di frequenza.

Si ricorda che il comportamento di un componente discreto al variare della frequenza, tuttavia molto elevata, subisce cambiamenti tali per cui il componente stesso assume le caratteristiche di un altro.

Per esempio: un condensatore rimarrà tale fino ad una certa frequenza assumendo con valori superiori caratteristiche, ipotizziamo, di un’induttanza.

Questo è il risultato della prova di emissione condotta applicata ad una stampante, prova interamente spiegata in  tutte le sue fasi in un filmato prodotto e montato dal sottoscritto e dal suo compagno di stage.



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fig. 26: risultato di una prova di emissione condotta



Riassunto argomenti trattati:

-        Progetto scolastico

-        Approfondimento personale (antenne)

-        Esperienza alternanza scuola – lavoro

L’insieme delle informazioni e dei concetti presenti in questo documento costituisce gran parte del mio personale bagaglio culturale acquisito in questi 3 anni di corso (vengono infatti trattati argomenti attinenti a tutte le materie d’indirizzo: sistemi, elettronica, TDP e telecomunicazioni).

Inoltre con l’esperienza dell’alternanza  ho potuto constatare in prima persona cosa voglia dire, per esempio, gestire un’azienda soprattutto nella sua parte operativa, approfondendo tuttavia non solo elementi di diritto ma anche di inglese (le norme ufficiali che descrivono le procedure delle prove EMC sono scritte rigorosamente in lingua inglese, di costo anche particolarmente cospicuo).

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Appunti su: dipolo cortocircuitato,







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