02126 - MISURE ELETTRONICHE

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 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 e comprendere 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
Definizione di misura e 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. Il modello della 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 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. Cenni di teoria del rumore di quantizzazione. 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.

§ Sottosistemi per la misura di tempo e frequenza
Topologie per la misura di periodo e frequenza di segnali a fronti impulsivi: scelta della strategia ottimale. Base dei tempi: oscillatori al quarzo, precisione e stabilità. Comparatore con isteresi per misure su segnali non impulsivi. Contatore universale: architettura, sensibilità, impedenza di ingresso. Misure di intervalli di tempo, di ampiezze di impulsi, di tempo di salita e discesa, di ritardi, di fase.

§ 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. 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. Rete equivalente di ingresso. Rapporto di reiezione di modo normale nella misura di tensione in DC. 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.

§ 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.

§ Analizzatore di spettro analogico
Generalità. Schema supereterodina. Analisi alla frequenza intermedia. Problema della frequenza immagine. Soluzioni a conversione multipla. Risoluzione in frequenza. Principali funzioni dello strumento.

§ 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. Leakage spettrale. Finestre 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.

Strumenti a supporto della didattica

PC e proiettore.
Banchi di misura automatici disponibili presso il Laboratorio Didattico di Elettronica, Informatica e Telecomunicazioni - Sede di Via Venezia 260 (Cesena).

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Pier Andrea Traverso

Consulta il sito web di Paolo Magnone