AGC by Barbaro Marano

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E DEI SISTEMI

_______________________________________________________________ Marano Barbaro

REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO E SETUP SPERIMENTALE DI UN PISTONE FERROFLUIDICO CONTROLLATO TRAMITE CAMPI MAGNETICI IN AC Prof. Salvatore Baglio Prof. Bruno Andò Tutor: Ing. A. Ascia

ANNO ACCADEMICO 2007-2008

Scopo del progetto 1) Obiettivo del presente lavoro è la progettazione del circuito di controllo degli elettromagneti atti a controllare una massa di ferrofluido posta all’interno di un canale al fine di realizzare un pistone ferrofluidico controllato tramite campi magnetici in AC.

2) Inoltre è stato realizzato un setup sperimentale per l’alloggiamento di un wafer di microcanali in PDMS per la realizzazione di un micropistone ferrofluidico.

1 â&#x20AC;&#x201C; Circuito di Condizionamento

Schema di principio

Una piccola quantità di ferrofluido è contenuta in una pipetta posta orizzontalmente, due elettromagneti generano due campi sinusoidali sfasati spazialmente di 90° a con sfasamento temporale variabile, uno posto con asse di simmetria perpendicolare al canale mentre il secondo è posto con l’asse di simmetria parallelo al canale.

Specifiche del circuito Lo scopo del circuito di condizionamento è quello di generare i segnali di eccitazione delle bobine esposte precedentemente. Le specifiche del circuito di condizionamento per la generazione delle onde sinusoidali da realizzare sono: • Pari ampiezza dei due segnali in uscita al circuito; • Possibilità di variare le frequenza nel range che va da 5 Hz a 150 Hz; • Possibilità di variare lo sfasamento nel range che va da 0° a 180°;

Circuito Base e Problematiche Considerate le specifiche appena elencate la scelta primaria Ă¨ stata quella utilizzare un circuito ALL PASS. Il nome ad esso associato deriva dal fatto che questo filtro lascia le ampiezze delle sinusoidi presenti al suo ingresso inalterate, mentre introduce uno sfasamento relativo tra le due.

Filtro ALL PASS La funzione di trasferimento presenta un polo e uno zero alla medesima frequenza. Al variare del valore associato al resistore R1 o al condensatore C1, la frequenza di taglio del polo e dello zero varia, quindi varia lo sfasamento introdotto.

1 j H ( s)  1 j

 Rg C

| H ( s) | 1   2     Rg C  H ( s)  180  arctan  2  2  1           R C  g   

Filtro ALL PASS Quindi lo sfasamento, fissata una frequenza, è possibile variarlo agendo sul valore della costante di tempo del polo. Per motivi pratici è conveniente variare il valore della resistenza Rg. Poiché la fase è sempre positiva e varia da 0° a 180° questa configurazione prende il nome di filtro Lead. Inizialmente è stato realizzato un primo prototipo di sfasatore, fissando un valore di capacita C pari a 1uF. Sono stati ottenuti buoni risultati per quanto riguarda la variabilità della fase per tutte le frequenze.

Filtro ALL PASS I valori dello sfasamento sono stati calcolati analiticamente mediante l’uso di un semplice script sviluppato in Matlab che implementa l’andamento della fase. f =50 Hz - Rmin=0.31831Ohm - Rmax=3183.0989Ohm - K=31.831

180

160

140

120



100

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Come si nota dalla figura 4, l’andamento della fase al variare della resistenza è non lineare. Si nota infatti che ad un range molto piccolo dei valori di R, corrisponde una brusca variazione della fase seguito da un tratto molto ampio in cui è necessario avere elevate resistenze per ottenere la fase che tende a 180°.

Filtro ALL PASS La prima soluzione che risolve la variazione brusca dello sfasamento al variare della resistenza è quella di utilizzare un trimmer logaritmico. In questo caso viene smorzato l’andamento precedente (figura in basso). 180

160

140

120

100

0 -0.5

0.5

1.5

2.5

3.5

La seconda soluzione è quella di utilizzare una variazione fine e una variazione grossolana del valore della resistenza. In questo modo vengono risolti i problemi sopra esposti e che si accentuano per le alte frequenze (150 Hz). È stata adottata quest’ultima possibilità.

Filtro ALL PASS – Problematiche di progetto (1/2) Un altra problematica riscontrata è il fatto che per ottenere il range di sfasamenti richiesto, è necessario un range di variazione di R insostenibile nella pratica (da pochi Ohm a qualche MegaOhm). Per ovviare a questo fatto indesiderato, si è visto che aumentando il valore di C, il range richiesto per R veniva diminuito. Dopo varie prove sperimentali su breadboard si è scelto di fissare tale capacità in maniera tale da avere lo stesso sfasamento per range di resistenze accettabili. Si è fissato questo valore a circa 23 uF.

Filtro ALL PASS – Problematiche di progetto (2/2) Poiché non esistono valori di capacità così grandi per condensatori in poliestere, o comunque non polarizzati, si è scelto di utilizzare due condensatori elettrolitici in antiserie entrambi del valore di 47 uF. In questo modo si eliminava il problema della polarità intrinseca dei più comuni condensatori elettrolitici. 47 uF 23 uF 47 uF

Problematiche di progetto Realizzando il prototipo del circuito All-Pass di tipo Lead, con il valore di capacità sopra citato, si è notato che le non idealità dei componenti causavano una diminuzione dell’ampiezza della sinusoide per valori di sfasamento molto prossimi a 180°. Questo non è voluto perché le eccitazioni dei magneti devono avere ampiezza rigorosamente uguale affinché si escludi qualsiasi effetto indotto nel sistema, diverso da quello che si vuole analizzare.

Soluzione: AGC Per risolvere il problema prima esposto, era necessario un circuito che mediante una retroazione compensasse il deficit in ampiezza imposto dalle non idealità della sinusoide sfasata. Ciò è stato realizzato mediante l’utilizzo di un AGC (Automatic Gain Controller). Questo circuito è un sistema retroazionato, che implementa un amplificatore a guadagno variabile pilotato in tensione. Il valore della tensione di controllo, e quindi del guadagno, è fissato dinamicamente dalla retroazione. A regime, il valore del guadagno diventa stabile quando il segnale errore dato dalla differenza tra le ampiezze delle due sinusoidi è nullo.

Soluzione: AGC Circuito di condizionamento

Uscita ampiezza fissa Amp_Fix (4)

AGC Generatore di Funzioni (800 mV; 5-150 Hz)

Sfasatore 0°-180° (5)

(1)

1/s

Uscita sfasata ad ampiezza controllata

VGA (2)

Loop Amplifier (3)

In figura 4 è rappresentato lo schema di principio del circuito realizzato, mentre nelle slide successive è presente lo schema circuitale utilizzato.

Modalità di funzionamento (1/3) Facendo riferimento allo schema circuitale, all’ingresso del circuito vi è un generatore di segnale nella cui uscita è presente un segnale di ampiezza fissa 800 mV e frequenza che variabile da 5 Hz a 150 Hz. Questo segnale una volta amplificato viene a trovarsi direttamente in uscita con una ampiezza fissa. Come è possibile notare una copia del segnale in uscita al generatore viene inviata allo sfasatore (5) che restituisce in uscita un’onda sinusoidale sfasata con sfasamento variabile da 0° a 180°.

Modalità di funzionamento (2/3) Come detto precedentemente, a causa della non idealità le ampiezze di questo segnale non si mantengono costanti al variare dello sfasamento. Per questo motivo è stato aggiunto un circuito chiamato AGC (Automantic Gain Controller) che assolve a questa funzione. Questo è un circuito retroazionato. In catena diretta è presente un amplificatore il cui guadagno è controllato da un segnale errore che risulta essere la differenza tra l’ampiezza del segnale in uscita e l’ampiezza del segnale di riferimento. A regime il segnale errore deve essere nullo in maniera tale che l’ampiezza del segnale in uscita è uguale all’ampiezza del segnale in ingresso.

Modalità di funzionamento (3/3)

Per accelerare la dinamica del circuito è stato aggiunto un integratore che assolve alla funzione di cumulare nel tempo gli errori permettendo una risposta più veloce alla variazioni di ingresso. Il segnale errore è stato ottenuto dalla differenza tra le ampiezze dei segnali raddrizzati mediante dei raddrizzatori di precisione. A valle di questi due è presente uno stadio sottrattore (U4:B) che ne fa la differenza.

Circuito di condizionamento +5

U3:C J3

10 8

R27

1 2

1k 3 2 1

J2 +5

C12

C13

RV4

VGA

100n

2k2

riferimento

100k

-5

47u

8 11 15 9 2 4 5 6

U3:B 7

10k

GROSSA

100n

OFST OPHI OPLO VDBS VMAG VPOS VPSI VPSO

1 13 12 7 10 16 3 14

R5 RV2

U3:D

R10

U4:A

100k

100n

R31

14 12

Var_OUT Uscita Sfasata

TL084

-5

TL084

R11

100n

1 2

100k

noconnect

variabile

AMP_LOOP

100k 2

AD8330M

4k7

100k

TL084

CMGN CMOP CNTR COMM ENBL INHI INLO MODE

RES-VAR

TL084

10k

Loop Gain

+5 4

10k

Amp_fix

C1 47u

In-800mv Ingresso

+5 4

1 2

OFFSET

U3:A

-5

Power Alimentazione

Fix_OUT Uscita Fissa

TL084

-5

Sfasatore 0째-180째

-5

D7 1

POW ER_ON

FINE

10k

Error detector

R14 10k

10k

var_radd

U1:C

14 12

1N4007

R13

R28

10k

TL084

R22

270k

C9 1u

-+5

U4:B

10k

R24

errore

R26

R30

10k

-5

R17

U2:D

1N4007

U2:C

C15

C16

100n

-5

TL084

C11

22u

-5

220k

-5

R6 TL084

1N4007

TL084

D5 1N4007

R18

10k

TL084

D8 LOCKED

13 6

+5 4

10k

-5

D4 11

U2:B

11 2

100n

270k

TL084

-5 -5

U2:A

variabile 3

R25

rif_radd

R21

12 3

11 +5 4

R20

U4:D LOCKED

controllo

270k

R19

-+ 5

U4:C

R29

270k

R23

100n

TL084

1N4007

TL084

8 10

TL084

Integrator

13 9

-5

10k

1N4007 7

U1:D

R12

-5

riferimento 3

-5

U1:B

-5 11

+5 4

R16

-5

U1:A

R15

TL084

C10 1u

Simulazione del circuito 0.6

0.4

0.2

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Simulazione del circuito 0.8

0.6

0.4

0.2

-0.2

-0.4

-0.6

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

Risultati sperimentali (5 Hz)

Risultati sperimentali (150 Hz)

Effetto della retroazione (1/2)

Circuito di condizionamento

Figura 9: Master lato componenti.

Circuito di condizionamento

Figura 10: Master lato rame

Circuito di condizionamento

Figura 11: Master silk-screen

Circuito di condizionamento

Figura 11: Circuito Completo

2 - Setup Sperimentale

Setup Sperimentale Il setup sperimentale che Ă¨ stato realizzato, prevede un supporto in grado di ospitare un wafer di silicio del diametro di 10 cm. Questo wafer contiene al suo interno circa dieci microcanali di sezioni e lunghezza differenti i quali contengono il ferrofluido che si vuole caratterizzare. Questo supporto deve essere in grado di potersi spostare in maniera tale da posizionare un solo canale sotto le due bobine che ecciteranno il campo magnetico le cui forme dâ&#x20AC;&#x2122;onda saranno pilotate dal circuito di condizionamento precedentemente introdotto.

Setup Sperimentale Inoltre questo supporto deve essere in grado regolare la distanza della bobina superiore in maniera da regolare l’intensità del campo magnetico variabile che sarà presente all’interno del ferrofluido. Il supporto realizzato è raffigurato nella figura seguente. Si nota che all’interno di esso non sono presenti parti metalliche per non inficiare sulle misure che verrano effettuate in un momento successivo. Le figure a seguire mostrano il setup sperimentale completo di circuito di condizionamento.

Setup Sperimentale

Figura 12: Circuito Completo

Setup Sperimentale: Movimento Orizzontale

Setup Sperimentale: Movimento verticale