28739 - MISURE ELETTRONICHE E LABORATORIO T-1

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente è in grado di individuare qualitativamente e valutare quantitativamente gli effetti delle principali non idealità negli strumenti e circuiti elettronici di misura, allo scopo di selezionarli, interconnetterli ed impiegarli in modo consapevole nelle moderne procedure di misura di base. In particolare lo studente: conosce il funzionamento della moderna strumentazione, con particolare attenzione agli strumenti basati su campionamento; ha le competenze per consultare in modo critico, comprendere e confrontare le specifiche degli strumenti allo scopo di valutarne le prestazioni reali; è in grado di valutare l'incertezza di misura e riportare il risultato del processo di misurazione secondo le norme internazionali; è in grado di programmare, in ambienti software commerciali, il controllo remoto sia di singoli strumenti, sia di banchi automatici di misura complessi.

Contenuti

§ Elementi di metrologia e fondamenti della misurazione
Scale di misura. Sistemi di unità coerenti ed incoerenti. Equazioni di coordinamento. Il sistema SI: grandezze fondamentali e derivate. Campioni e riferibilità. Il campione di resistenza: effetto Hall quantistico. Il campione di f.e.m.: effetto Josephson. Norme di scrittura delle unità. Misurando e processo di misurazione. Risorse, attività associate al processo. Il modello del processo di misurazione e le grandezze di influenza. Incertezza di misura. Metodologie per la stima dell'incertezza: sorgenti di incertezza di tipo A e di tipo B. Propagazione dell'incertezza: incertezza combinata, incertezza estesa. Espressione del risultato di una misura. Esempi notevoli di propagazione dell'incertezza nelle misure indirette.

§ Conversione A/D e D/A
Conversione analogico-digitale: teoria di base. Passo di quantizzazione, valore fondo scala, discretizzazione unipolare e bipolare. Codifica di una variabile discreta mediante codice binario naturale, codice bipolare con offset e codice “complemento a due”. Principali non idealità della caratteristica statica di un convertitore A/D: errore di offset, di guadagno. Non linearità integrale e sua rappresentazione grafica. Non linearità differenziale. Teoria di base del rumore di quantizzazione. Modello della conversione A/D. Bit effettivi di un ADC. Classificazione degli ADC. Flash-converter a uno e due stadi. Convertitore A/D a gradinata ed asservito. Convertitore A/D a successive approssimazioni. Convertitori A/D ad integrazione: doppia rampa e rampa multipla. Sorgenti di incertezza nella conversione A/D. Conversione digitale-analogica:principali implementazioni per un DAC: rete resistiva a pesi binari e rete a scala. Sorgenti di incertezza nella conversione D/A.

§ Convertitori AC/DC per strumentazione di misura
Parametri per la caratterizzazione “globale” di una forma d'onda: valore di cresta, valor medio raddrizzato, valore efficace. Convertitori AC/DC a valore medio raddrizzato: misura di corrente e di tensione. Sensibilità. Convertitori AC/DC a valore di cresta: limiti superiore ed inferiore di frequenza, sensibilità. Convertitori AC/DC a vero valore efficace integrati. Cenni ai convertitori a termocoppia a componenti discreti ed integrati.

§ Caratterizzazione metrologica di componenti e sottosistemi
- Rete equivalente del resistore in regime statico. Espressione dell'incertezza relativa e concetto di tolleranza. Coefficiente termico. Fattori che influenzano la resistività. Potenza nominale. F.e.m. di tipo termoelettrico ed effetto Seebeck. Rumore termico. Cenni al rumore di bassa frequenza. Tecnologie per la realizzazione dei resistori.
- Generatori di f.e.m. di riferimento: grandezze di influenza ed esempi circuitali. Compensazione in temperatura di generatori basati su diodi Zener.
- Amplificatori in corrente continua: offset, sensibilità, guadagno, saturazione.
- Circuiti con Op Amp. Parametri statici negli Op Amp: tensione di offset, CMRR, correnti di bias e di offset. Metodologie di misura dei parametri statici.
- Generalità sulla caratterizzazione metrologica dei componenti elettronici in regime dinamico. Caratterizzazione del resistore: circuito equivalente. Effetto pelle. Costante di tempo. Tipologie di resistori. Condensatore: rete equivalente. Capacità apparente e pulsazione propria. Fattore di dissipazione (“tangente delta”) per la stima della qualità del condensatore. Tipologie di condensatori. Induttore: rete equivalente. Perdite per correnti di Focault e per isteresi. Pulsazione propria, fattore di qualità. Tipologie di induttori.
- Estensione al caso di regime dinamico della caratterizzazione di amplificatori e circuiti con Op Amp.

§ Multimetro digitale
Generalità, architettura. Condizionamento della grandezza in ingresso, portate, sensibilità. Cifre del display. Tempo di integrazione. Rapporto di reiezione di modo normale. Rete equivalente di ingresso. Misure fuori massa, disturbo di modo comune. Misure di corrente e di resistenza in DC. Stima ed espressione dell'incertezza di misura. Utilizzo del multimetro per misure in regime dinamico. Esempi di strumenti commerciali.

§ Oscilloscopio a campionamento

Generalità, schema a blocchi. Circuiti front-end di condizionamento del segnale. Canale di acquisizione: resistenza di ingresso, circuito sample/hold e convertitore A/D. Circuito e metodi di triggering. Base dei tempi. Memorizzazione dei campioni e tecniche di visualizzazione. Utilizzo delle funzioni più comuni in modalità manuale. Tecniche di campionamento. Campionamento in tempo reale: criterio di Shannon/Nyquist, ricostruzione del segnale mediante filtri a risposta impulsiva finita. Campionamento in tempo equivalente: tecniche sequenziali e aleatorie. Cenni alle architetture per l'incremento della frequenza di campionamento equivalente. Oscilloscopio digitale usato per l'individuazione di disturbi asincroni ed eventi rari. Esempi di strumenti commerciali allo stato dell'arte per applicazioni a RF/microonde e per applicazioni ad alta risoluzione.

§ Analizzatore di spettro analogico
Generalità. Definizione del misurando. Schema supereterodina. Analisi alla frequenza intermedia. Problema della frequenza immagine. Soluzioni a conversione multipla. Risoluzione in frequenza. Principali funzioni dello strumento. Esempi di strumenti commerciali allo stato dell'arte.

§ Analisi spettrale digitale
Generalità, architetture. Algoritmi per la ricostruzione dello spettro di un segnale campionato: DTFT, DFT, FFT. Aliasing, risoluzione in frequenza. Finestra di osservazione. Zero-padding. Leakage spettrale. Finestre temporali per la riduzione del leakage.

§ Metodi e strumenti per la realizzazione di banchi automatici di misura
Principali architetture e standard per la realizzazione di banchi automatici di misura. Lo standard IEEE-488. Introduzione all'ambiente LabVIEW: principali caratteristiche, diagramma a blocchi, pannello di controllo. Utilizzo di strutture logiche, sequenze, temporizzazioni. Grafici e tabelle per la visualizzazione dei dati di misura. Esempio di controllo in remoto di un multimetro digitale, di un oscilloscopio a campionamento, di un generatore di funzioni arbitrarie, di un analizzatore di spettro. Valutazione automatica dell'incertezza di misura.

 

Testi/Bibliografia

Testo di riferimento: G. Iuculano, D. Mirri, "Misure Elettroniche", CEDAM, Padova.

Materiale didattico (dispense, manuali utente, datasheet componenti) fornito dal docente e/o scaricabile dalla piattaforma "Insegnamenti Online".

Metodi didattici

Lezioni frontali in aula integrate da attività di laboratorio.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Verifica mediante colloquio delle conoscenze acquisite e del raggiungimento degli obiettivi.

Strumenti a supporto della didattica

PC e proiettore.
Banchi di misura automatici disponibili presso il Laboratorio Didattico di Elettronica e Telecomunicazioni - LAB 1 - Edificio Aule Nuove.
Materiale didattico (dispense, manuali utente, datasheet componenti) fornito dal docente e/o scaricabile dalla piattaforma "Insegnamenti Online".

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Pier Andrea Traverso