Misure per l'Automazione e la Produzione Industriale A.A. 2009/2010

Informazioni utili

Per i corsi triennali (ordinamento D.M. 509/99) di Ingegneria Elettronica ed Ingegneria Informatica.

Numero di crediti: 7

Ore di didattica frontale: 54

Ore di laboratorio: 8-16 (a seconda del numero di iscritti)

L'ultimo anno di erogazione del corso e` l'A.A. 2009-2010. Verranno garantiti 2 appelli all'anno, per i successivi anni accademici, riservati agli iscritti al corso entro il 31 dicembre 2009. Tutti gli altri studenti dovranno modificare il proprio piano di studio.

Modalita` d'esame

Scritto con domande teoriche ed esercizi da risolvere.

Programma del corso

Introduzione alla scienza della misurazione: Definizione di misurando, sistema di misura, metodo di misura, campione di riferimento. Definizione dei concetti di accuratezza e precisione per un sistema di misura.

Sistema di misura elettronici: schema a blocchi generale e definizione delle principali parti componenti (trasduttore, condizionamento del segnale, elaborazione e confronto, visualizzazione e presentazione). Confronto tra sistemi di misura analogici e numerici.

Caratterizzazione di un sistema di misura: caratteristiche statiche (range, span, trans caratteristica, retta di interpolazione,sensibilità, risoluzione, grandezze di influenza, calibrazione), caratteristiche dinamiche (funzione di trasferimento - sistemi del primo e secondo ordine -, risposta al gradino, tempo di salita e tempo di assestamento).

Conversione analogico-digitale: definizione di convertitore ADC e dei principali parametri (riferimento di tensione, frequenza di campionamento, numero di bit), quantizzazione (transcaratteristica, unipolare, bipolare, silenziata e non silenziata), parametri di un ADC reale di tipo statico: livelli di transizione, retta interpolatrice, errore di guadagno e di offset, errori di linearità differenziale ed integrale, missing code, codifica (unipolare: straight binary, fractional binary, bipolare: offset binary, modulo e segno, complemento a 1, complemento a 2), campionamento, teorema del campionamento, aliasing, filtro antialiasing (criteri di progetto e parametri caratteristici), problematiche relative alla scelta della frequenza di campionamento (esempi pratici), rumore di quantizzazione: definizione, modello additivo (ipotesi di validità) , proprietà statistiche del rumore di quantizzazione, proprietà spettrali del rumore di quantizzazione, introduzione sistemi a sovraccampionamento, definizione rapporto segnale-rumore per una sinusoide, introduzione dither noise e sue applicazioni pratiche.

Oscilloscopio: funzioni principali, campi applicativi, schema a blocchi generale, cenni oscilloscopi analogici. Analisi del meccanismo di sincronizzazione, estrazione del segnale di sincronismo mediante circuito di trigger, ciclo di funzionamento di un oscilloscopio (fase di acquisizione, ripristino, attesa), velocità di aggiornamento della traccia, definizione intervallo di hold-off, meccanismo di regolazione della durata dell'intervallo di hold-off. Canale di ingresso dell'oscilloscopio: schema a blocchi e definizione delle parti componenti (blocco di accoppiamento AC/DC, attenuatore-amplificatore variabile, offset DC, filtri), impedenza di ingresso, modalità di accoppiamento AC-DC e applicazioni. Modello equivalente a doppio bipolo, definizione di banda passante dello strumento, analisi della risposta in frequenza e della risposta al gradino, definizione di tempo di salita dell'oscilloscopio. Analisi accuratezza.

Oscilloscopio digitale (DSO): schema a blocchi, analisi blocco di acquisizione, memoria di acquisizione: struttura e modalità di scrittura, definizione campioni post-trigger e pre-trigger, riferimento di trigger, analisi delle operazioni che possono aver luogo in fase di acquisizione, differenza tra campionamento a tempo-reale e a tempo equivalente, interpolatore lineare (o temporale). Classificazione dei diversi tipi di memoria in un DSO, memoria di visualizzazione: struttura, modalità di creazione dell'immagine grafica, analisi delle operazioni che possono aver luogo nel passaggio da memoria di acquisizione a memoria grafica, cenni sulle diverse modalità di decimazione, cenni sugli algoritmi di interpolazione.

Misure con oscilloscopio: misure su un amplificatore lineare: metodo del gradino e metodo delle sinusoidi, acquisizione di segnali (vedi esperienza di laboratorio descritta sulla guida alle esercitazioni di laboratorio).

Sonde: effetti di carico di un sistema di misura/strumento, considerazioni sull'effetto dell'impedenza di ingresso del sistema di misura/strumento, sonde passive: schema a blocchi, analisi funzionamento, calcolo impedenza equivalente.

Connessioni misurando-sistema di misura: sistemi di misura/strumenti con riferimento a terra: analisi effetto tensione di modo comune, misure fuori massa, misure fuori massa con strumenti a batteria. Sistemi di misura/ strumenti con ingresso flottante: analisi funzionamento ed effetto tensione di modo comune, definizione di rapporto di reiezione di modo comune CMRR.

Misure su segnali digitali: definizione dominio digitale, presentazione principali strumenti di misura (analizzatori logici ed oscilloscopi mixed-signal MSO) e loro caratteristiche. Analisi funzionamento oscilloscopio MSO: esempi di utilizzo, specifiche, modalità di acquisizione di segnali digitali (incertezza istanti di transizione, tecniche efficienti di memorizzazione), sonde e connettori, problemi relativi allo sfasamento tra canali di ingresso, modalità di trigger: patter trigger, meccanismo "time-qualified", identificazione e visualizzazione dei glitch. Esempi di acquisizione di segnali digitali mediante MSO (vedi esperienza di laboratorio): analisi dei segnali in un sistema embedded per la generazione di chirp, utilizzo della modalità di trigger pulse-width per la cattura di glitch su segnali complessi, acquisizione di un segnale video, acquisizione dei segnali per il controllo di una memoria SDRAM.

LabVIEW: definizione di strumento virtuale. Presentazione ambiente di lavoro: pannello frontale, diagramma a blocchi, definizione di indicatori, controlli, terminali, realizzazione di icona e connettore, presentazione degli strumenti di programmazione (tools palette, controls, palette, functions palette, strumenti per l'esecuzione ed il debug di un programma). Analisi flusso di esecuzione. Presentazione principali indicatori grafici: waveform chart , graph, XY graph. Presentazione principali tipi di dati. Analisi delle principali strutture per il controllo del flusso di esecuzione: ciclo for, while, struttuta if e case, struttura sequence e struttura node. Utilizzo di shift-register, effetto dell'indicizzazione sui tunnel di ingresso-uscita. Variabili locali: esempio di utilizzo. Cenni su array e matrici. Controllo strumentazione mediante Labview. Librerie gestione interfaccia 488.2: funzione send, receive, waitSRQ. Esempio pratico di programmazione multimetro HP3478A: interpretazione manuale di programmazione, costruzione VI per l'invio di una stringa di comando e la lettura di un dato dal multimetro. Cenni sugli standard IEEE 488.2 e SCPI.

Incertezza di misura: introduzione alla GUM (Guida all'Espressione dell'Incertezza di misura), definizione di incertezza, richiami sulla teoria degli errori, incertezza di misura di tipo A e di tipo B, incertezza combinata, legge di propagazione degli errori, incertezza estesa, intervallo di confidenza, livello di confidenza, fattore di copertura. Metodo di calcolo incertezza di tipo A: definizione di media e varianza campionaria. Metodo di calcolo incertezza di tipo B a seconda delle informazioni di partenza (con riferimento ad un multiplo della dev. Standard, con riferimento ad un dato livello di confidenza, caso pdf gaussiana, uniforme, trapezoidale). Calcolo incertezza combinata: caso con quantità di ingresso non correlate (legge di propagazione incertezza, coefficienti di sensibilità), caso con quantità di ingresso correlate (formula generale legge di propagazione dell'incertezza, definizione coefficiente di correlazione, stima della covarianza). Compatibilità tra due misure. Esempi di calcolo dell'incertezza.

Analisi spettrale per via numerica: definizione trasformata discreta di Fourier DFT. Analisi degli effetti dell'operazione di campionamento e di troncamento spettrale, introduzione ed analisi nucleo di Dirichlet, esempio per un segnale sinusoidale. Campionamento coerente e non coerente: leakage spettrale, impiego di finestre per la riduzione del leakage. Analisi granularità in frequenza: incertezza stima posizione del picco e stima delle ampiezze, definizione di scalloping loss. Analisi segnale multi frequenziale: interferenza spettrale, capacità di risolvere picchi vicini, definizione e significato banda a -6dB di una finestra. Esempio di architettura di un analizzatore di spettro digitale (DSA). Metodo per migliorare la risoluzione in frequenza mediante moltiplicazione per esponenziale complesso.

Sensori: Sensori passivi: Estensimetri: principio di funzionamento, definizione coefficiente di strain gauge e sua interpretazione, cenni sulla piezoresistività, estensimetri metallici, estensimetri a semiconduttore. Sensori di temperatura passivi: termoresistori RTD, termistori NTC e PTC. Sensori di umidità (cenni). Sensori di gas (cenni). Sensori attivi: Termocoppie: principio di funzionamento, effetto Seebeck, principali proprietà delle termocoppie e loro implicazione, tipi di termocoppie, esempi di installazione delle termocoppie.

Condizionamento del segnale: Misura della resistenza incognita mediante un semplice partitore resistivo: linearizzazione per piccole variazioni di resistenza; Misura della resistenza incognita mediante ponti a deflessione: linearizzazione per piccole variazioni, schema circuitale per grandi variazioni. Amplificatore differenziale: richiami sul funzionamento, effetti dell'incertezza delle resistenze, tensione di modo comune, calcolo CMRR; Amplificatore differenziale per strumentazione: principio di funzionamento; Cenni sugli amplificatori a guadagno programmabile.

Messa a punto di un sensore: linearizzazione della trans caratteristica: mediante resistenza di linearizzazione; compensazione offset e sensibilità: analisi della procedura di compensazione.

Convertitori analogico-digitali ADC: Amplificatori Sample & Hold (SHA): principio di funzionamento: analisi fase di sample e fase di hold, differenza tra track&hold e sample&hold, criteri progettuali: configurazione in cascata ed in retroazione. Prestazioni di un SHA reale: durante la modalità sample, hold, transizione da hold a sample, transizione da sample ad hold. Definizione dei principali parametri e fattori di influenza. Analisi delle principali architetture: convertitori flash parallelo, convertitori ad approssimazioni successive (SAR), convertitori ad integrazione semplice (anche noti come convertitori a rampa analogica), convertitori a doppia rampa, convertitori a conversione tensione-frequenza, convertitori sigma-delta (richiami sul sovraccampionamento), convertitori pipeline. Confronto tra le principali architetture.

Convertitori digitale-analogico DAC: a resistenze pesate, con rete di resistenze a scala, a partitore di tensione. Cenni sulla sintesi digitale: segnale a gradini, spettro in frequenza, filtro di ricostruzione.

Standard IEEE1451: introduzione alla famiglia di standard, smart transducer, modulo TIM, modulo NCAP, interfaccia TII, canale di trasduzione, struttura dati, modalità di campionamento, modalità di trasmissione, TEDS, interfaccia NCAP verso rete.