I convertitori ADC
ADC è l'acronimo inglese che indica una importante funzione che consente di trasformare una grandezza Analogica in un valore Digitale mediante un Convertitore (analog digital converter). Esiste anche la funzionalità inversa, ossia la conversione di un valore digitale in una grandezza analogica (DAC) ma per ora questo argomento non è rilevante ai fini della comprensione delle funzionalità dei moduli sms. A cosa servono dunque gli ADC?
Il linguaggio della natura
Qualsiasi fenomeno fisico, com'è possibile constatare dall'esperienza quotidiana, si manifesta in termini di variazione continua e graduale: la luce si attenua al calar del sole, l'acqua fredda si scalda sotto la fiamma dei fornelli e così via. Non esistono due stati distinti, buio e luce, caldo e freddo ma infinite gradazioni intermedie che possiamo rilevare con strumenti comuni (il termometro ad esempio), una scala di valori infinita quanti sono i numeri reali, anche se per comodità spesso si usano valori interi o con qualche decimale.
Come parlano i microprocessori
L'elettronica digitale, quella dei computer e della la maggior parte degli apparati elettronici di nuova generazione si basa su un alfabeto poverissimo, che ha solo due "lettere": "zero" ed "uno". La parola più semplice è dunque costituita in realtà da un unico numero, il cosiddetto "bit"; parole più complesse sono costituite dai byte (insiemi di 8 bit); lunghe sequenza di "1" e "0" mescolati fra loro sono le frasi che pensano i microchip e che scambiano tra loro per comunicare.
A cosa servono i convertitori ADC?
Il mondo reale e quello digitale parlano due linguaggi completamente differenti: mentre nel primo esiste l'acqua tiepida e l'imbrunire, nel secondo è come se ci fossero solo due stati, il caldo ed il freddo, la luce ed il buio come se il sole potesse accendersi e spegnersi come una lampadina. Nonostante questa diversità, sono stati inventati dei traduttori, i convertitori ADC (e DAC) appunto, che hanno il compito di far parlare queste due realtà antitetiche. E'grazie a questi oggetti ad esempio che possiamo immagazzinare su un DVD colori, suoni ed immagini (che per definizione fanno parte del mondo reale) e successivamente ritrasformarli da sequenze di 0 ed 1 in melodie e filmati.
Come funzionano
Lo spieghiamo con un esempio: supponiamo che la temperatura di una stanza possa variare tra 0 e 3 gradi. Con un unico bit potrei ottenere una rappresentazione numerica molto grezza del mio range di temperatura, al massimo potrei direi che il bit vale 0 a zero gradi ed 1 a 3 gradi. Utilizzando 2 bit otterrei una informazione migliore, infatti la sequenza "00" indicherebbe 0 gradi, "01" un grado, "10" due gradi e "11" tre gradi. Se il gioco è chiaro, è facile capire che con molti più bit si possono indicare anche i decimali dell'intervallo di valori. Ad esempio, con 8 bit si ottengono 256 combinazioni diverse di sequenze di 0 ed 1 e dunque i tre gradi possono essere suddivisi in 256 valori sino ad arrivare ad esprimere con i numeri binari, i centesimi di grado (3 / 256 = 0,0117). I convertitori ADC fanno esattamente quanto spiegato ora, con la differenza che invece di lavorare sulle temperature lavorano sulle tensioni e invece che l'intervallo 0-3gradi usato nell'esempio occorre considerare l'intervallo 0-5Volt (nei moduli sms).
I sensori
Se un ingresso ADC può convertire le tensioni presenti su una scheda elettronica, per rilevare una variazione di temperatura o di luminosità occorre che luce e calore possano variare le tensioni presenti sul mio circuito. A questo ci pensano i sensori, elementi in grado di modificare i propri parametri elettrici (resistività) in funzione del fenomeno fisico a cui sono sensibili. Acquistando un fotoresistore si potrà verificare con i puntali di un tester cosa succede esponendo il componente rispettivamente alla luce ed al buio, una resistenza ntc è più adatta agli esperimenti di variazione di temperatura. Esistono in commercio vari tipi di sensori per grandezze fisiche differenti, pressione umidità, rilevatori di gas, di infrarossi...
Collegamento ai moduli sms
I sensori appena citati aumentano il loro valore se aumenta la grandezza fisica che essi rappresentano o al contrario lo diminuiscono, come nel caso delle ntc (negative temperature coefficient). Realizzando lo schema in figura, la tensione Vx del punto di collegamento dei due resistori in serie assume un valore di (Vcc*R1)/(R2+R1) secondo la legge del partitore di tensione. Poichè R2 è il valore variabile fornito dal sensore, anche Vx è variabile ed è rappresentativa del fenomeno fisico che influenza il sensore. A questo punto se applichiamo Vx al convertitore ADC, otteniamo il valore numerico equivalente alla grandezza fisica misurata. Il partitore va bene per i sensori ntc, per quelli di tipo opposto (ptc, dove p=positive) basta invertire R1 ed R2. I sensori appena analizzati sono di tipo passivo rispetto ad altri componenti attivi che altro non sono che chip integrati, già predisposti per fornire una uscita in tensione (ad esempio 10mV di variazione per ogni variazione dell'unità di misura rilevata) o una uscita in corrente (es. i sensori 4-20mA).
In questo secondo caso, l'uscita in corrente si riporta ad una variazione di tensione chiudendola su un carico resistivo, secondo la legge di Ohm V=RI.
La lettura in un sms
I convertitori disponibili sui moduli sms utilizzanti il micro Motorola sono ADC ad 8 bit (256 combinazioni numeriche possibili), dunque la variazione minima di tensione rilevabile è di 5Volt/256valori=0,0195V ossia circa 20mV. I moduli pic-sms invece hanno convertitori a 10 bit (1024 intervalli disponibili) e la variazione minima rilevabile di tensione è di 5Volt/1024valori=0,00488V ossia circa 5mV. Si vuol conoscere a distanza la temperatura di un magazzino contenente sostanze infiammabili? l'umidità di una serra? la concentrazione di gas in un ambiente ostile o il livello di un bacino idrico? Collegando sensori adeguati al modulo sms e chiedendone la lettura degli ADC, l'informazione arriva comodamente sul cellulare in forma di messaggio.
Il numero espresso dagli 8 bit del convertitore viene trasformato in valore decimale compreso tra 0 e 256. Utilizzando il trucco di moltiplicare per due tale numero, si ottiene il valore di tensione corrispondente: ad es. il numero 256 corrisponde a 256*2=512 ossia 5,12 Volt. Per i perfezionisti, c'è solo un piccolo errore di approssimazione (al peggio di 0,12V), che decresce per valori inferiori: lettura 120 dunque 120*2=240 ossia 2,4Volt (in realtà 2,35V, approssimazione di 0,05V). Analogamente, il numero espresso dai 10 bit del convertitore pic-sms viene trasformato in valore decimale compreso tra 0 e 1024. Il trucco questa volta è di dividere per 2: 1024/2=512, ossia 5,12Volt mentre una lettura di 600 equivale a 600/2=300 dunque 3,00Volt al prezzo di pochi mV di errore.