Elementi di misure elettroniche - Appunti lezioni

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TRE

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA

Appunti dalle lezioni di

Elementi di misure elettroniche

S.S.D. ING-INF/07

Anno Accademico 2012/2013

Appunti del corso di Elementi di misure elettroniche A.A. 2012/2013

Indice

Capitolo 1 – introduzione al corso e richiami…………………………………………….. 4

---------------- Riepilogo di Elettrotecnica…………………………………………………… 4

---------------- Riepilogo di Elettronica………………………………………………………. 7

10

---------------- Elettromagnetismo……………………………………………………………..

Capitolo 2 – Elementi preliminari allo studio della strumentazione…………………….. 14

---------------- Metodi di misurazione………………………………………………………… 16

---------------- Numeri di misurazione………………………………………………………… 17

---------------- Classificazione della strumentazione…………………………………………. 18

---------------- Strumenti e incertezza………………………………………………………… 21

---------------- Teoria della strumentazione………………………………………………….. 18

---------------- Teoria rappresentazionale…………………………………………………….. 24

---------------- Caratteristiche in continua……………………………………………………. 26

---------------- Caratteristiche periodiche e aperiodiche (transienti)………………………. 32

----------------- Banda di uniformità in senso lato……………………….. 34

----------------- Banda di uniformità in senso stretto……………………. 36

----------------- Risposta al gradino………………………………………... 37

Capitolo 3 – Trasduzione…………………………………………………………………….. 40

---------------- Partitore di tensione…………………………………………………………… 41

---------------- Notch filter……………………………………………………………………… 43

---------------- Trasduttori corrente-corrente/corrente-tensione/tensione-corrente……… 43

44

---------------- Trasformatori……………………………………………………………………

---------------- Analisi trasformatore di corrente TA………………………………..……… 46

---------------- Analisi trasformatore di tensione TV……………………………………….. 47

---------------- Diodi VARICAP………………………………………………………………. 49

---------------- Diodi PIN……………………………………………………………………….. 50

---------------- Varactor………………………………………………………………………… 51

---------------- Sonde di ingresso (Probe)……………………………………………………. 51

---------------- Stadi di ingresso………………………………………………………………. 46

---------------- Massa (High Quality Ground)……………………………………………….. 60

Capitolo 4 – Strumentazione elettromeccanica…………………………………………… 63

---------------- Equazione del moto dell’equipaggio mobile……………………………….. 68

---------------- Strumenti magneto-elettrici………………………………………………….. 74

---------------- Strumenti elettro-dinamici……………………………………………………. 79

---------------- Strumenti ad induzione………………………………………………………. 86

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---------------- Strumenti termici…………………………………………………………….. 90

Capitolo 5 – Oscilloscopio…………………………………………………………………… 93

---------------- Deflessione verticale………………………………………………………….. 98

---------------- Kernel di misura………………………………………………………………. 100

---------------- Alimentatori………………………………………………………………….. 104

---------------- Sincronismo…………………………………………………………………… 113

---------------- Generazione della rampa……………………………………………………. 117

Capitolo 6 – Voltmetri……………………………………………………………………… 121

Capitolo 7 – PLL………………………………………………………………………..… .. 135

Capitolo 8 – Campionamento………………………………………………………………. 147

Capitolo 9 – Strumentazione digitale……………………………………………………… 158

Bibliografia……………………………………………………………………………………. 199

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Appunti del corso di Elementi di misure elettroniche A.A. 2012/2013

CAPITOLO 1

Introduzione al corso e richiami

Q Elementi di

uesto documento didattico riguarda gli argomenti del corso di

misure elettroniche tenuto dal prof. M. Caciotta presso l’Università degli

Studi di Roma Tre, Dipartimento di Ingegneria, Corso di studi in

Ingegneria Elettronica. Per la sua stesura ci si è riferiti agli appunti presi

durante le lezioni, alla bibliografia di riferimento e alle slide proiettate a

lezione dal docente. Il lettore deve tenere presente che questo testo non può essere esente

da errori involontari, sia di tipo formale che editoriale, nonostante la massima cura

prestata per la sua realizzazione. fisica, analisi matematica, elettronica, elettrotecnica,

Le conoscenze apprese nei corsi di

campi elettromagnetici ecc…, nella materia di misure elettroniche vanno in qualche modo

fuse insieme.

Dal punto di vista storico la figura dell’ingegnere nasce in campo militare, quando era

necessario fare trincee, costruire ponti e quant’altro; in qualche modo dovevano ingegnarsi.

Per ingegnarsi bisogna lavorare sulla realtà delle cose. Il corso si prefigge di allenare lo

studente all’uso degli strumenti dati dalla matematica, dalla fisica, ecc… per gestire la

realtà. La scienza utilizza la matematica per elaborare modelli che siano una

rappresentazione quanto più opportuna della realtà che ci circonda. L’obiettivo è quello di

avere modelli relativamente semplici ma abbastanza vicini alla realtà; questo dice

implicitamente che la realtà rappresentata dal modello non è mai completa. Di seguito

sono riportati dei riepiloghi degli argomenti salienti per l’introduzione al corso.

Riepilogo di ELETTROTECNICA

Legge di OHM. La legge di OHM è il punto fondamentale di tutta

 

V R I introduce la

l’elettronica e di tutta l’elettrotecnica. È una legge fisica che

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Appunti del corso di Elementi di misure elettroniche A.A. 2012/2013

resistenza elettrica, come fenomeno di perdita energetica

concetto dei primi dell’ottocento,

degli elettroni a causa degli urti con il reticolo cristallino dei conduttori metallici. La legge,

vale solo in continua.

così come è stata definita da Ohm,

Siccome chi si occupa di elettronica non lavora quasi mai in continua si introduce uno

la trasformata di Fourier.

strumento della matematica,

Trasformata di Fourier. Trasformazione matematica che permette

 l’estensione del concetto di perdita di energia introdotta

 

 

 j t

V V t e dt

( ) ( ) dalla legge di Ohm e permette la rappresentazione del concetto

 

fisico di immagazzinamento di energia in campi elettrici (capacità) e campi magnetici

(induttanza). Un generico segnale è scomposto nella somma di armoniche, dalla

righe).

fondamentale ai suoi multipli. Se il segnale è periodico lo spettro è discreto (a Un

non periodico avrà lo spettro continuo.

Ipotesi e verifica di ipotesi. Se è stato applicato giustamente un modello, si farà un’ipotesi

di lavoro, si giungerà ad una conclusione, e si dovrà verificare che la conclusione rispetti le

ipotesi. Gli ingegneri ragionano in questo modo.

Principio di Kenelly e Steintmetz. Afferma che la trasformata della tensione è data dal

  impedenza

prodotto di un operatore chiamato e la trasformata di Fourier

V Z I

della corrente. Rispetto alla legge di Ohm dice molto di più del solo fatto di perdita

rappresenta oltre che la perdita anche l’accumulo di

energetica perché l’operatore Z

energia (elettrica e magnetica).

Sul piano fasoriale non si mettono vettori con pulsazioni diverse, si creano piani fasoriali

per ogni frequenza. Serie di Fourier. Si è nell’ambito dei segnali periodici. In ambito

 

  

 

V t a i t

( ) sin periodico la serie ci dice che è possibile scomporre il segnale

i i

i assegnato in periodicità elementari a forma sinusoidale, le

armoniche.

cosiddette

Sistemi lineari. equazioni differenziali

Tutto ciò che è rappresentabile mediante con

n,

derivata di ordine ma tutte alla prima potenza, e coefficienti costanti nel tempo e non

dipendenti dalla grandezza in oggetto. Un sistema lineare sollecitato da una forma d’onda

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Appunti del corso di Elementi di misure elettroniche A.A. 2012/2013

stessa frequenza,

sinusoidale propone in uscita la medesima forma d’onda alla con al più

l’ampiezza modificata.

Va ricordato un fatto molto importante e cioè che SOLO con i sistemi lineari vale il

principio di sovrapposizione degli effetti, ragione per cui si tende a rappresentare la realtà

sempre con equazioni differenziali lineari. Se non si potesse applicare tale principio, che

vale per i sistemi lineari solamente, si sarebbe nella condizione di risolvere equazioni

differenziali non lineari, di non facile soluzione.

Diagrammi di BODE. Rappresentazione asintotica della risposta in frequenza di un sistema,

nelle sue due componenti di fase e ampiezza.

Trasformata di Laplace. comportamento transiente

Descrizione del



 di una grandezza in regime lineare. Nel transiente c’è un



 st

V s V t e dt

( ) ( ) cambiamento di periodicità. Con questa trasformata si può

0 tende alla trasformata di Fourier.

studiare il comportamento nel transitorio. All’infinito

Può essere anche utilizzata per risolvere equazioni differenziali (passando ad equazioni

algebriche). 6

Appunti del corso di Elementi di misure elettroniche A.A. 2012/2013

Riepilogo di ELETTRONICA

L’era dell’elettronica ha inizio nel 1906 con l’invenzione del triodo (audion) da parte di

De Forest. In pratica De Forest prese un diodo e ci mise una griglia regolatrice in mezzo.

La cosa più semplice che si può fare per rappresentare un sistema elettronico è quella di

considerare una maglia in cui sta un generatore di tensione, una sua resistenza e un

elemento amplificatore, come riportato in figura 1.

controllo ΔV

Figura 1. maglia con componente controllato

I sistemi non lineari con i quali si ha a che fare sono sempre costituiti da tre reofori, il

classico doppio bipolo, dove un reoforo è in comune tra ingresso e uscita.

Il sistema di controllo del componente può essere di due tipi, o in tensione o in corrente.

Tale sistema gestisce una resistenza. Transistor deriva proprio da questo fatto, transfert-

resistor, trasferimento della resistenza, ovvero una gestione del valore di resistenza.

Graficando il diagramma corrente tensione si ottengono curve del tipo:

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Appunti del corso di Elementi di misure elettroniche A.A. 2012/2013

retta di carico

La disegnata rappresenta il luogo dei punti dove si hanno soluzioni in

base al 2° principio di Kirchhoff. Il punto di lavoro si muove sulla retta di carico? NO, in

V I

ambito periodico implicherebbe e perfettamente in fase, ma non lo sono per esempio

per la presenza di condensatori o induttori. Allora, sempre in ambito periodico, sui

ELLISSE DI CARICO,

componenti attivi si definisce una che se è molto schiacciata

tenterà di coincidere con la retta di carico.

Si è abituati all’uso di modelli, per esempio quello per piccoli segnali, a basse frequenze,

h.

a parametri se sostituito al componente controllato di figura 1 si ottiene il seguente

circuito:

In bassa frequenza, si usa il suindicato circuito, in alta frequenza avvengono altri

fenomeni che vanno considerati, per cui il modello è diverso, per esempio si ricorre al

modello di Giacoletto-Johnson.

Stadi di potenza AB. Una delle caratteristiche di tutti i componenti elettronici che si

hanno a disposizione è l’uniderizionalità della corrente. Se si hanno apparati grossi a cui

dare potenza, la corrente deve essere alternata. Come si fa? Si usano dei transitor logic-

composter, nell’NPN la corrente passa in un verso nel PNP nell’altro. Come mostrato in

figura 2. 8

Appunti del corso di Elementi di misure elettroniche A.A. 2012/2013

Figura 2. stadio di uscita con doppio transistor NPN e PNP

Teorema di Thévenin e teorema di Norton. Per conoscere la corrente e la tensione tra

due nodi di un circuito assegnato. Il primo dice che a prescindere dalla complessità di un

circuito, tra due punti si vede un generatore di tensione con in serie un’impedenza

equivalente. Mentre per Norton il tutto è assimilabile ad un generatore di corrente con in

parallelo un’impedenza equivalente.

Concetto ampio di capacità. dislocazioni di

Zona dello spazio