Modifiche ai sensori di Nuova Elettronica LX922 e LX1358 di Mauro Mariotti

Pagina aggiornata il 30 Giugno 2003

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ATTENZIONE! Le modifche qui riportate vengono suggerite dietro esperienze fatte personalmente sui sensori di Nuova Elettronica. Non sono stati consultati tecnici di Nuova Elettronica e non c'è relazione alcuna tra l'autore e la nota rivista di divulgazione elettronica. L'autore declina ogni responsabilità di perdite o danni di qualsiasi tipo a cose e persone per l'applicazione di questi suggerimenti in quanto pubblicati ad esclusivo scopo didattico. Ogni modifica viene effettuata a rischio e pericolo di chi la pone in atto. Ad ogni buon conto le informazioni qui pubblicate sono provvedute in buona fede da parte dell'autore con l'intento di discutere le prestazioni del sensore LX922 e LX1358. Le informazioni su tale pagina non vogliono essere nel modo più assoluto una critica all'eccellente lavoro svolto dai progettisti di Nuova Elettronica ai quali comunque l'autore fa sempre riferimento nel corso delle proprie esperienze professionali.

La trasduzione avviene attraverso un circuito LVDT (Linear Variable Differential Transformer) usato come rivelatore lineare di posizione. La scelta tecnica è ottima perchè questo circuito garantisce la linearità di rilevazione a differenti velocità relative tra massa libera e il suolo.

Il circuito implementato da N.E. (di seguito useremo questa abbreviazione per Nuova Elettronica) se deve essere utilizzato con la scheda SADC10 deve essere modificato e il segnale adattato. Alcune delle modifiche che descrivo di seguito si riferiscono a miglioramenti sulla qualità del segnale in uscita, altre sulle caratteristiche per garantire il buon funzionamento su convertitori a/d che accettano segnali in corrente alternata (sia con componenti positive che negative).

Riporto prima le modifiche che migliorano la qualità del segnale, di seguito le modifiche che occorrono per poterlo far funzionare con una scheda SADC10.

A riferimento è preso il KIT LX922 (rivista 130-131) per il quale credo abbiate lo schema, che io non riporto qui per ovvi motivi di copyright.

Modifiche per il miglioramento del segnale

Modifica 1
Sostituire l'operazionale IC4 con un operazionale a basso rumore. Ad esempio OP07 od OP27. IC4 è un CA3130; non è adatto ad un uso semiprofessionale. Ha un rumore altissimo sia alle basse frequenze che a quelle alte. Il CA3130 è un operazionale rail-to-rail, cioè consente di pilotare l'uscita fino al minimo e al massimo della tensione di alimentazione. L'OP07 non ha questa caratteristica, la modifica numero 1 delle modifiche di adattamento a SADC10 permette di aggirare questa limitazione.
Una puntualizzazione: la scelta del CA3130, da parte dei progettisti di Nuova Elettronica, non era sbagliata perchè era effettuata tenendo conto che questo progetto doveva funzionare con un convertitore ad 8 bit. Il range di tensione era 0-5V, quindi dividendo 5V / 256 (counts consentiti da un convertitore ad 8 bit) = 0.019 V / count questa era la soglia di rumore che il convertitore era in grado di leggere, molto al di sopra del rumore del CA3130. Volendo usare un convertitore a 16 bit (molto più sensibile) è necessario migliorare le performance dell'operazionale finale del sensore.

Modifica 2
Sostituire anche IC1, anche qui si può scegliere OP07, per lo stesso motivo della modifica 1.

Modifica 3
Il condensatore C7 è stato progettato come elettrolitico da 22uF. Anche questa scelta è subordinata all'uso di un convertitore a pochi bits di risoluzione. Va sostituito con un condensatore poliestere, molto meno rumoroso. Un poliestere da 22uF è difficile da reperire. Ma uno da 2uF no. E questa capacità può essere auspicabile per chi usa LX922 sul sensore orizzontale di N.E. Questo perchè detti sensori orizzontali sono sensibilissimi alle basse frequenze e diminuire la capacità di C7 può aiutare a "linearizzarne" la risposta in frequenza. Le frequenze al di sotto di 1 secondo di periodo (1 Hz) saranno attenuate rendendo meno nervosa la traccia dello strumento, pur mantenendone la sensibilità nel caso di registrazioni sismiche.
Quindi si consiglia di sostituire C7 con una capacità in poliestere. Volendo la capacità può essere diminuita anche fino a 1uF, oppure qualche condensatore da 2.2microF poliestere può essere posto in parallelo aumentando la capacità e consentendo la rilevazione di frequenze molto più basso.

Modifica 4
Il condensatore C4 è critico per la stabilità del comparatore di fase. I data-sheets Philips, prescrivono per C4 un condensatore stabile in temperatura. Sostituire questo condensatore almeno con uno in poliestere sarebbe auspicabile.

Modifica 5
Il resistore R1 viene prescritto da Philips anch'esso del tipo stabile in temperatura. Andrebbe modificato con un resistore al 1%, sono componenti più selezionati e molto più stabili in temperatura. Philips inoltre prescrive 18K anzichè 10K ma su questo aspetto non ho ancora approfondito
il motivo, che ne dite di fare qualche prova?

Modifica 6
Il filtro d'uscita è composto dalla capacità C15 (100nF) e R13 1K. N.E. nei suoi manuali riporta che il taglio di questo filtro è pari a:

159000 / (100 nF x 1 Kohm) = 1590 Hz

secondo la loro formula semplificata di:

159000 / ( nF  x Kohm) ---> Hz di taglio a 6dB per ottava.

Quindi appare molto strano che ci sia qui un filtro a 1590 Hz!

Ricalcoliamo il filtro per avere un taglio di 6dB almeno d 20Hz:

lasciando invariato il resistore da 1K la formula diventa:

C = 159000 / ( 1Kohm x 20Hz) = 7950 nF ovvero 7.950 uF.

come valori sul mercato possiamo trovare 10uF per cui la frequenza di taglio sarebbe:

159000 / (10000nF x 1 Kohm) = 15.9 Hz

Può essere accettabile dunque sostituire C15 con 10uF 16V elettrolitico.

Questa modifica va fatta perchè le bobine del sensore LVDT possono captare segnali elettromagnetici che possono venire amplificati da IC4
e giungere al nostro convertitore provocando fastidiosissimi fenomeni di aliasing del segnale da digitalizzare.
 

Modifiche per l'uso di LX922 con il convertitore SADC10 o con altri convertitori con ingresso bipolare +/-10V o +/-5V

Modifica 1
Se si vuole sfruttare maggiormente la dinamica del sensore occorrerebbe portare il punto zero dell'operazionale IC4 anzichè a 2.5V come è da progetto (LX922) tra 5 e 6V. In assenza di segnale sismico o con la massa bloccata il sensore così come è stato progettato da N.E. darebbe in uscita una tensione continua di 2.5V. In presenza di segnali sismici però tale posizione dello zero immaginario comporta che il segnale possa variare in basso fino a circa 0.5V e in alto fino a circa 10V (il circuito è alimentato a 12V e gli operazionali non pilotano l'uscita fino alla loro tensione di alimentazione ma saturano prima). Ne consegue che così com'è LX922 ha una dinamica di 2.5V nel quadrante negativo (segnale sotto il suo zero immaginario) e di circa (10-2.5=7.5) 9.5 Volts sul quadrante positivo. Beh, la situazione appare molto sbilanciata.

E in effetti i progettisti di N.E. hanno corretto questa situazione sul nuovo kit LX1358 eliminando quella che su LX922 era R10 e che faceva da partitore con R11 portando a 2.5V la tensione continua presente sul piedino non invertente di IC4.
In questo modo sull'ingresso non invertente di IC4 si presenta una tensione di 6V che porta lo zero immaginario a 6V permettendo di avere una dinamica simmetrica sui due quadranti.
Lo stesso effetto si sarebbe ottenuto applicando una resistenza da 10Mohm tra il nodo R8-C7 e massa.

Modifica 2
Per poter usare il LX922 con la scheda SADC10 occorre costruirsi un piccolo circuito d'interfaccia. Lo schema, da aggiungere ad ogni canale o sensore LX922 o LX1358 è il seguente:

Lo schema comprende un circuito operazionale di disaccoppiamento ed un filtro passa alto per rimuovere la componente continua a 6V generata da questo circuito, in alternativa si può usare una scheda SAMP10 o SAMP20 che permettono un ulteriore filtraggio delle frequenze indesiderate (segnali di rumore civile).