agc

UNIVERSITÀ DEGLI STUDIDI CATANIA

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E DEI SISTEMI_______________________________________________________________

REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DICIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO E

SETUP SPERIMENTALE DI UN PISTONE FERROFLUIDICO CONTROLLATO

TRAMITE CAMPI MAGNETICI IN AC

Marano Barbaro

Prof. Salvatore Baglio

Prof. Bruno Andò

Tutor: Ing. A. Ascia

ANNO ACCADEMICO 2007-2008

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.

Scopo del progetto

1 – 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 è 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.

CRj

CRj

sH

g

g

1

1

)(

1|)(| sH

2

2 1

2

arctan180)(

CR

CRsH

g

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 PASSI valori dello sfasamento sono stati calcolati analiticamente mediante l’uso di un semplice script sviluppato in Matlab che implementa l’andamento della fase.

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°.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

20

40

60

80

100

120

140

160

180f =50 Hz - Rmin=0.31831Ohm - Rmax=3183.0989Ohm - K=31.831

R

Filtro ALL PASSLa 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).

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

20

40

60

80

100

120

140

160

180

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 piùcomuni condensatori elettrolitici.

47 uF

47 uF

23 uF

Problematiche di progetto

Realizzando il prototipo del circuito All-Passdi 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 necessarioun 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 ènullo.

Soluzione: AGC

VGA (2)

LoopAmplifier (3)

(1)Sfasatore 0°-180°

(5)

Amp_Fix (4)

Generatore di Funzioni (800 mV;

5-150 Hz)

Uscita ampiezzafissa

Uscita sfasataad ampiezzacontrollata

AGC

Circuito di condizionamento

1/s

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 èpresente 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°.


Come detto precedentemente, a causa della non idealitàle ampiezze di questo segnale non si mantengono costanti al variare dello sfasamento. Per questo motivo è stato aggiunto un circuito chiamato AGC (Automantic GainController) che assolve a questa funzione. Questo è un circuito retroazionato. In catena diretta èpresente 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.


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.


-5

+5

-5+

5

-5+

5

-5

+5

-5

+5

-5+

5

-5

+5

-5

+5

-5

+5

-5+

5

-+5

-5

-5+

5

riferimento

variabile

var_radd

controllo

-+5

-5

+5

-5

+5

-5

rif_radd

+5

errore

+5

-5

variabile

riferimento

+5

-5

+5

-5

+5

5

67

41

1 U3:B

TL084

R1

10k

R2

10k12

J1

In-800mvIngresso

123

J2

PowerAlimentazione

12

1314

41

1 U3:D

TL084

R8

100k

R9

100k

R10

100k

R11100k

3

21

41

1

U1:A

TL084

R12

10k

R13

10k

R14

10k

D11N4007

D21N4007

10

98

41

1

U1:C

TL084

R15

10k

R16

10k

12

1314

41

1

U1:D

TL084

D3

1N4007

3

21

41

1

U2:A

TL084

R17

10k

R18

10k

R19

10k

5

67

41

1

U2:B

TL084

D41N4007

D51N4007

10

98

41

1

U2:C

TL084

R20

10k

R21

10k

12

1314

41

1

U2:D

TL084

D6

1N4007

5

67

41

1

U4:B

TL084

R22

270k

R23

270k

R24

270k

R25270k

10

98

41

1

U4:C

TL084

R26

10k

12

J3

Fix_OUTUscita Fissa

12

J4

Var_OUTUscita Sfasata

C147u

C347u

C4100n

CMGN8

CMOP11

CNTR15

COMM9

ENBL2

INHI4

INLO5

MODE6

OFST1

OPHI13

OPLO12

VDBS7

VMAG10

VPOS16

VPSI3

VPSO14

U5

AD8330MR41k

R5

1k

C5100n

12

3

OFFSET

RES-VARC6100n

3

21

41

1

U3:A

TL084

C7100n

C8100n

C91u

C101u

12

3RV2noconnect

C2

22u

C11

22u

12

1314

411

U4:D

TL084

12

3

LOCKED

220k

R61k

R710k

D7POW ER_ON

D8LOCKED

10

98

41

1

U3:C

TL084

R27

1k

12

3

RV42k2

12

3GROSSA100k

12

3FINE10k

C15100n

R29

10k

R30

1k

C16100n

3

21

41

1

U4:A

TL084

R31

1k

12

3

AMP_LOOP4k7

R3

10k

R28

10k

C12100n

C13100n

5

67

41

1

U1:B

TL084

Sfasatore 0°-180°

VGA

Loop GainAmp_fix

Error detector

Integrator

Simulazione del circuito

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Simulazione del circuito

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Risultati sperimentali (5 Hz)

Risultati sperimentali (150 Hz)

Effetto della retroazione (1/2)


Figura 9: Master lato componenti.


Figura 10: Master lato rame


Figura 11: Master silk-screen


Figura 11: Circuito Completo

2 - Setup Sperimentale

Setup Sperimentale

Il setup sperimentale che è 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 d’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 s a r à p r e s e n t e a l l ’ i n t e r n o d e l f e r r o f l u i d o .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 c o m p l e t o d i c i r c u i t o d i c o n d i z i o n a me n t o .

Setup Sperimentale

Figura 12: Circuito Completo

Setup Sperimentale: Movimento Orizzontale

Setup Sperimentale: Movimento verticale

agc

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