Sistemi di acquisizione per la misura di grandezze fisiche

Descrizione introduttiva

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 del corso

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 del corso

- 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.

Materiale didattico

Ad ogni partecipante al corso sarà fornita la copia dei lucidi che saranno utilizzati durante le lezioni.

PRIMA GIORNATA
09:30-10:30 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.
10:30-11:15 Caratteristica ingresso/uscita dei convertitori: full-range, risoluzione, LSB.
Esempi.
11:15-11:30 Pausa
11:30-12:30 Errori di fuori zero, di guadagno e di linearità. Cenni sui convertitori commerciali: convertitori flash, ad approssimazioni successive, ad integrazione e Sigma/Delta.
12:30-14:00 Pausa pranzo
14:00-15:30 Nozioni di base sulla stima dell’incertezza: effetti sistematici ed incertezze; interpretazione e propagazione dell’incertezza secondo il modello deterministico.
15:30-16:15 Caratteristiche metrologiche di strumenti e sensori in condizioni statiche e dinamiche.
16:15-16.30 Pausa
16:30-17:30 Sensori per grandezze fisiche (prima parte)

SECONDA GIORNATA
09:30-10:30 Confronto tra convertitori e criteri di scelta.
10:30-11:15 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.
11:15-11:30 Pausa
11:30-12:30 Esempio applicativo: realizzazione di un termometro digitale ed analisi dell’incertezza di misura.
12:30-14:00 Pausa pranzo
14:00-15:00 Sensori per grandezze fisiche (seconda parte)
15:00-16:00 Architettura tipica di una scheda di acquisizione dati per PC ed analisi dei principali contributi di incertezza.
16:00-16:15 Pausa pranzo
16:15-17:30 Analisi delle specifiche di una scheda commerciale. Introduzione al modello probabilistico per la stima dell’incertezza di misura.

TERZA GIORNATA
09:30-10:30 Uso di convertitori per la misurazione di segnali variabili nel tempo: scelta della frequenza di campionamento, uso di sample&hold, uso di filtri antialiasing.
10:30-11:15 Tecniche di ricostruzione dei segnali, filtri interpolatori, aliasing percettivo.
11:15-11:30 Pausa
11:30-12:30 Esempio applicativo: realizzazione di un oscilloscopio e di un analizzatore di spettro basati su una scheda di acquisizione dati.
12:30-14:00 Pausa pranzo
14:00-15:00 Metodi di valutazione dell’incertezza di categoria A e B.
15:00-16:00 La propagazione dell’incertezza secondo il modello probabilistico.
16:00-16:15 Pausa.
16:15-17:30 Esempi di stima dell’incertezza secondo il modello probabilistico. Conclusione.