Sistemi di acquisizione per la misura di grandezze fisiche

DESCRIZIONE INTRODUTTIVA

Il corso si propone di fornire le nozioni di base relative all’acquisizione dei segnali ed all’architettura dei sistemi di acquisizione. Sarà inoltre introdotto il concetto di incertezza di misura, con particolare riguardo al modello probabilistico, oggigiorno sempre più impiegato per esprimere le caratteristiche metrologiche della strumentazione di misura.
Inizialmente si analizzerà il processo di conversione analogico/digitale, impiegato nella maggior parte della moderna strumentazione di misura, con particolare attenzione alle fasi di campionamento e quantizzazione. Sarà descritta la caratteristica ingresso/uscita di un dispositivo ideale in grado di eseguire la conversione analogico/digitale, quindi saranno introdotte le non idealità presenti nei dispositivi reali e saranno descritte alcune tipologie di convertitori commerciali.
Si descriveranno i criteri di progetto di sistemi basati sulla conversione analogico/digitale, sia per la misurazione di segnali continui sia per l’acquisizione e la ricostruzione di segnali variabili nel tempo, fornendo inoltre alcuni esempi applicativi realizzati mediante una scheda di acquisizione dati.
Per quanto riguarda il concetto di incertezza di misura, si analizzeranno i modelli deterministico e probabilistico, con particolare attenzione alle modalità di dichiarazione delle caratteristiche metrologiche della strumentazione commerciale. Si descriverà l’architettura tipica dei sistemi di acquisizione dati, con particolare attenzione alle schede di acquisizione dati per Personal Computer, al fine di individuare le principali fonti di incertezza ed, infine, si presenteranno alcuni esempi di propagazione dell’incertezza in sistemi di acquisizione dati che impiegano sensori per grandezze fisiche.

OBIETTIVI

Gli argomenti trattati durante il corso forniscono le basi per la comprensione del processo di conversione analogico/digitale, che rappresenta il principio di funzionamento della maggior parte dei moderni strumenti di misura, quali voltmetri, multimetri, oscilloscopi e analizzatori di spettro.
La descrizione delle architetture dei convertitori analogico/digitali più diffusi a livello commerciale e la discussione sulle loro caratteristiche metrologiche, permetterà di scegliere il tipo di convertitore più adatto alle caratteristiche del segnale da acquisire. Le informazioni fornite permetteranno inoltre di progettare un semplice sistema di acquisizione dati, tenendo in considerazione i principali fattori che potrebbero degradare il segnale acquisito.
La parte riguardante l’incertezza di misura, oltre che permettere l’analisi di sistemi di acquisizione dati, favorirà una corretta interpretazione ed utilizzazione delle caratteristiche metrologiche di sensori e strumenti di misura, che, per quanto riguarda le specifiche di incertezza, sono sempre più frequentemente fornite secondo i criteri del modello probabilistico.
Al termine del corso, gli allievi saranno perciò in grado di progettare correttamente un sistema di acquisizione dati e di analizzarne le prestazioni in termini di incertezza di misura.

CONTENUTI

• Principi della conversione analogico/digitale: campionamento, quantizzazione e codifica.
• Cenni sui convertitori analogico/digitali più diffusi.
• Impiego di convertitori analogico/digitali per la misura di tensioni continue (risoluzione, non linearità, fuorizero, …) e per l’acquisizione di tensioni variabili (frequenza di campionamento, aliasing, tecniche di ricostruzione del segnale, …).
• Architetture di schede di acquisizione dati e individuazione dei principali contributi di incertezza.
• Sensori per grandezze fisiche.
• Caratteristiche metrologiche di strumenti e sensori in condizioni statiche e dinamiche.
• Interpretazione e propagazione dell’incertezza secondo i modelli deterministico e probabilistico.

PROGRAMMA DI DETTAGLIO

Prima Giornata

Introduzione.
Cenni sui sistemi di misura basati su convertitori analogico/digitale (oscilloscopi, schede di acquisizione, strumenti, microcontrollori). Principi della conversione analogico/digitale: campionamento e quantizzazione.
Caratteristica ingresso/uscita dei convertitori: full-range, risoluzione, LSB. Esempi.
Errori di fuori zero, di guadagno e di linearità. Cenni sui convertitori commerciali: convertitori flash, ad approssimazioni successive, ad integrazione e Sigma/Delta.
Nozioni di base sulla stima dell’incertezza: effetti sistematici ed incertezze; interpretazione e propagazione dell’incertezza secondo il modello deterministico. 15:30 Caratteristiche metrologiche di strumenti e sensori in condizioni statiche e dinamiche.
Sensori per grandezze fisiche (prima parte)

Seconda Giornata

Confronto tra convertitori e criteri di scelta.
Impiego di convertitori per misure di tensione continua: calcolo dell’incertezza di misura; tecniche di correzione degli effetti sistematici e riduzione dell’errore di quantizzazione.
Esempio applicativo: realizzazione di un termometro digitale ed analisi dell’incertezza di misura.
Sensori per grandezze fisiche (seconda parte)
Architettura tipica di una scheda di acquisizione dati per PC ed analisi dei principali contributi di incertezza.
Analisi delle specifiche di una scheda commerciale. Introduzione al modello probabilistico per la stima dell’incertezza di misura.

Terza Giornata

Uso di convertitori per la misurazione di segnali variabili nel tempo: scelta della frequenza di campionamento, uso di sample&hold, uso di filtri antialiasing.
Tecniche di ricostruzione dei segnali, filtri interpolatori, aliasing percettivo.
Esempio applicativo: realizzazione di un oscilloscopio e di un analizzatore di spettro basati su una scheda di acquisizione dati.
Metodi di valutazione dell’incertezza di categoria A e B.
La propagazione dell’incertezza secondo il modello probabilistico.
Esempi di stima dell’incertezza secondo il modello probabilistico.

DESTINATARI

Tecnici laureati o diplomati che operano nel settore sperimentale.

PREREQUISITI

Elettrotecnica, Elettronica analogica e digitale di base, statistica.

MATERIALE DIDATTICO

Ad ogni partecipante al corso sara’ fornita la copia delle slides che saranno utilizzate durante le lezioni.