3.1 Introduzione
In questo capitolo saranno documentate le misure eseguite sull’ultima versione del sensore APV. L’obiettivo è quello di quantificare il rumore introdotto dai fili del sensore. Questo è infatti un aspetto molto critico, come evidenziato nel precedente capitolo, perché limita il minimo segnale rilevabile dal sensore. I risultati sperimentali ottenuti saranno confrontati con il modello analitico proposto.
Misure di rumore effettuate sui sensori APV in lavori precedenti [20] hanno evidenziato la presenza di un eccesso di rumore (dipendente dalla frequenza) introdotto dai fili di polisilicio siliciurizzato, che si aggiunge al previsto rumore termico bianco. In questa sede verranno approfonditi ulteriormente questi aspetti.
Una parte importante del lavoro descritto in questo capitolo riguarda l’allestimento di un adeguato sistema di misura, che è stato in parte progettato in occasione di queste misure. Particolari accorgimenti devono essere previsti per le misure di rumore: i segnali da leggere sono infatti di piccola ampiezza, quindi è necessario utilizzare un sistema di misura poco rumoroso ed opportunamente schermato verso le interferenze esterne.
3.2 Apparato di misura
Per prima cosa è necessario allestire un adeguato apparato di misura, il cui schema a blocchi è riportato in figura 3.1.
Il primo blocco è costituito dal sensore sotto misura, la cui struttura è stata descritta nel paragrafo 2.5.3. I fili del sensore sono disposti in modo da formare due ponti di Wheatstone. Un ponte è costituito dai fili sensibili alle velocità acustiche lungo un asse x (ponte x), l’altro dai fili sensibili alle velocità acustiche lungo un asse y, ortogonale al precedente (ponte y).
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Figura 3.1: schema a blocchi dell’apparato di misura.
In figura 3.2 è riportato lo schema elettrico del sensore. Il valore nominale di ogni resistore a temperatura ambiente è di 800 Ω. Il sensore è accessibile dai terminali Vcc e GND, attraverso
i quali si impone la tensione di polarizzazione per riscaldare i fili. Inoltre, è possibile prelevare le tensioni differenziali vox e voy, che costituiscono le uscite dei rispettivi sensori di velocità,
sulle diagonali dei ponti.
Figura 3.2: schema elettrico del sensore.
L’ interfacciamento con il sensore è realizzato con un amplificatore da strumentazione, le cui caratteristiche principali:
40 guadagno preciso;
elevata impedenza di ingresso;
ridotte tensioni di offset RTI (Referred to the Input) e correnti di bias; ridotto rumore RTI di tensione e corrente;
elevato CMRR
lo rendono idoneo ad estrarre l’informazione contenuta nella variazione di resistenza dei fili. L’amplificatore da strumentazione effettua la conversione del segnale differenziale di uscita del sensore, rendendolo single ended. Affinché le misure di rumore possano essere effettivamente realizzate, il rumore prodotto dal sensore deve essere amplificato opportunamente; una prima amplificazione può essere introdotta dallo stesso amplificatore da strumentazione, il cui guadagno è regolabile tramite il valore di un apposito resistore. Lo stadio a valle, ancora una volta costituito da un amplificatore da strumentazione, può effettuare un’ulteriore amplificazione del segnale.
Il blocco successivo realizza un filtraggio passa basso del segnale: questo dovrà infatti essere digitalizzato e, affinché possa essere campionato nel rispetto del teorema di Shannon, la sua massima componente frequenziale dovrà essere minore (al limite coincidente) alla metà della frequenza di campionamento. Si prevede pertanto l’inserimento di un filtro anti aliasing del 4° ordine, con frequenza di taglio regolabile, che limiti la banda del segnale in modo da prevenire la comparsa di aliasing. Questo filtro, così come l’amplificatore da strumentazione che lo precede, è stato progettato appositamente per questo lavoro: dettagli sulla sua realizzazione saranno forniti nel paragrafo successivo. Si osservi che, anche se il segnale da leggere avesse già una banda adeguata al campionamento, sarebbe comunque accompagnato da rumore ed interferenze fuori banda. Queste componenti spurie, se non opportunamente rimosse, verrebbero ripiegate (aliasing) nella banda di interesse, alterando la misura.
Il segnale in uscita dal filtro viene inviato ad un convertitore ADC a 16 bit e 2 canali (Pico Technology, mod. ADC216), che si interfaccia direttamente con un personal computer sul quale è possibile visualizzare i dati acquisiti. Degli appositi programmi, eseguibili su personal computer, consentono di automatizzare le misure, controllando i parametri del convertitore ADC e permettendo l’acquisizione del segnale sullo spettro di interesse.
In figura 3.3 è mostrato il setup di misura utilizzato. La batteria fornisce una tensione continua ai capi del sensore, riscaldando i fili che lo compongono e portandoli nelle condizioni operative. L’uscita del sensore è prelevata ed elaborata dall’elettronica precedentemente descritta, dalla quale escono uno o più segnali single ended. Nello schema sono riportati due possibili segnali di uscita (single ended), 𝑉𝑎 e 𝑉𝑏, che vengono inviati ai due canali dell’ADC e quindi al personal computer. In alcune misure si renderà necessario utilizzare un generatore di funzioni per applicare al sensore un segnale sinusoidale la cui frequenza può essere regolata tramite PC, in modo da poter eseguire sweep di frequenza automatizzati.
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Figura 3.3: setup di misura.
Per schermare il sistema rispetto ai disturbi elettromagnetici esterni, durante le misure la batteria, il sensore e l’elettronica di interfacciamento, amplificazione e filtraggio sono stati inseriti in una scatola di rame, accessibile in ingresso (per l’applicazione di un eventuale segnale di stimolo) ed uscita (per l’invio del segnale all’ADC) tramite connettori BNC applicati alla scatola stessa.
3.3 Progetto dell’interfaccia analogica e dello stadio di amplificazione
e filtraggio
Come accennato, si rende necessaria la realizzazione di un amplificatore da strumentazione (per l’interfacciamento con i ponti di Wheatstone e per fornire una prima amplificazione), di un ulteriore stadio di amplificazione e di un filtro passa basso (per prevenire l’aliasing e tagliare il rumore fuori banda).