Misure Elettroniche e Strumentazione

28 1902 Prof: G. Barillaro

Cosa si fa

• Concetti principali delle misure elettroniche.
• Architetture per fare misure elettroniche.
• Convertitori analogici-digitali e digitali-analogici.
• Multimetri digitali: ci permettono di fare una misura ma l’errore che commettiamo è elevato.
• Strumentazione ad alta sensibilità: elettrometro, nanovoltmetro, picoamperometro, coulombimetro, misuratore di spettro di un segnale, frequenzimetro/fasometro, oscilloscopio.

Organizzazione corso: su 8 ore settimanali

• 3 ore lab.
• 5 ore teoria + es.

Modalità d’esame

• Solo orale, conta 3/4 del voto finale (2 domande).
• L’altro 1/4 del voto è dato dalle relazioni delle esperienze in lab da consegnare tutte entro il primo appello.

Testi di riferimento

• Appunti di strumentazione elettronica di B. Neri, G. Basso (metterà su e-learning il pdf) della University Press.
• Applied electronic instrumentation and nation measurement di D. Buchla, W. Mclachlan della Maxwell Mac-Milan.
• Electronic instrumentation hand book di C. F. Coomb della Mcgraw-hill.

Mail: giuseppe.barillaro@unipi.it

Relazione esercitazioni sperimentali

• Obiettivo dell’esperienza (es parametri opamp).
• Modalità di misura utilizzate.
• Report dei dati sperimentali ottenuti.
• Discussione risultati con confronto con teoria/dispositivi commerciali.

Il processo di misura

• Operazione di misura: è un processo che associa una quantità incognita (misurando) ad una rappresentazione in una campione di riferimento qualche unità di misura. Per fare questo devo avere un che vado a confrontare con la quantità sistema di misura incognita che voglio misurare e poi ho bisogno del che mi permette di fare queste operazioni.
• Quasi tutti gli elementi di misura sono elettronici di Sistema misura misurando Ielettronici.
• Campione di riferimento (è molto importante).

• Lunghezza (metro): è definito come la lunghezza che percorre la luce nel vuoto in un tempo pari a 1/241792458 secondi.
• Chilogrammo (Kg): è un Kg di platino e iridio sotto una teca nel vuoto ma dal 20 maggio 2019 cambierà standard e sarà basato sull’esperimento sulla bilancia di Batt.
• Standard assoluti: questi ultimi due sono definiti come definiscono una grandezza assoluta riferita a costanti universali.
• Standard primari Ci sono degli che definiscono l’unità di misura e il campione di riferimento che non ha bisogno di standard secondari standard di lavoro ulteriori tarature. Questi definiscono gli che a loro volta definiscono gli.

• In ogni nazione c’è un solo istituto in grado di riprodurre uno standard primario (istituto metrologico): IRIM in Italia, NPL in Inghilterra e NOST in America. Sopra tutti c’è la conferenza generale di pesi e misure.

Concetto da sapere

• C’è un campione di riferimento che viene tarato su degli standard primari e secondari.
• Schema a blocchi del processo di misura: sistema di misura.

Grandezza sistema di misura fisica Ieri t Presentazione condizionamento Sensori Misurando elaborazione trasduttori utilizzo dati yVm Indi campione riferimento.

• Sensori/trasduttori: convertono una grandezza fisica in una elettrica -> passo dal mondo fisico al mondo elettronico.
• Condizionamento: il segnale elettrico necessita di una pulizia; condiziona il segnale per renderlo adeguato al blocco di elaborazione (filtraggio, linearizzare il segnale).
• Elaborazione: assegna un valore al segnale in ingresso (valore efficace o valore medio ad es).

Classificazione sistemi di misura

• Strumento di misura: dispositivo che associa ad una certa grandezza fisica una qualche sua rappresentazione adatta a fornire informazioni sulla grandezza in questione (ad es amperometro, voltmetro, oscilloscopio etc).
• Strumento di stimolo: stimola il misurando in una condizione nota e imposta dall’utente, è essenzialmente un generatore di segnale di prova o di riferimento (ad es generatori di forme d’onda, oscillatori etc).
• Strumento composto: comprendono entrambe le caratteristiche appena dette strumento valore Valore di misurato incognito misura.

Es: voglio calcolare la frequenza di polo di un filtro RC -> so che in corrispondenza di questa frequenza il modulo diminuisce di 1/radice(2): devo quindi usare uno strumento di stimolo (segnale a frequenza variabile ad ampiezza fissa che utilizzo per stimolare la rete RC) e lo strumento di misura per leggere il risultato -> in questo caso quindi abbiamo utilizzato uno strumento composto.

• L’effettuarsi di una misura comporta sempre un dispendio di energia.
• Strumento passivo: assorbe energia dal sistema sotto misura; se il misurando perde energia. Se prelevo troppa energia dal sistema di misura vado a perturbare la misura (devo stare attento) || strumento di misura es I IrÌ RI corrente idealmente Vm voltmetro É prelevani ideale voltmetro prendo voltmetro che assorba abbiamo caso se Eenome del voltmetro interna corretta Run'impedenza pari nona misura.
• Strumento attivo: fornisce energia al sistema sotto misura; devo fare attenzione alla potenza massima che applico (ad esempio per una R è circa 1/4W) perché se la supero rischio di danneggiare il misurando || strumento di stimolo.
• Strumento a bilanciamento: non assorbe né fornisce energia ma ne rivela l’assenza di scambio col resto del circuito.

Oss: una qualche forma di scambio energetico dovrà pur sempre avvenire a carico di un qualche componente del circuito.

L’operazione di misura è intrinsecamente affetta da errori di misura. Questo errore può essere dovuto al campione primario di riferimento ma anche dovuto al sistema di misura -> devo conoscere il limite entro il quale posso fare la misura.

• Esempio: nel diodo se in inversa ho una corrente di 1nA è un diodo non buono (deve essere nell’ordine del pA).
• Se ho un sistema di misura e lo strumento di misura ideali (non affetti da errore) commetto comunque un errore non nullo perché si hanno delle interferenze dovute all’ambiente di misura.

Quindi voglio stimare l’errore che commetto.

Tutti gli strumenti di misura sono caratterizzati da dei parametri di merito.

• Errore di misura E VitaloneErrore veroveroassoluto valoremisuratorelativoErrore Er Effe.
• Accuratezza: errore massimo commesso dallo strumento nel compiere una misura || è il parametro più importante A E Einar Fs.

Spesso viene data come x% del fondo scala (FS) di misura Avoltmetro a Fses AUmax ioFS.ir 01nov 1non.

Viene data sennò anche come %Vm (del valore misurato), oppure anche come %counts ovvero: Displayes framezzoc111Ili Infin0 dellacifracantoh 9 laè significativamenovariazioneVelinaipotizzo 1 1 1µVcount1 canta1 3a 3µV000000Wfount 1mV.

• Risoluzione: è la minima frazione del fondo scala che può essere misurata; è un numero puro || 2º parametro più importante. variazioneAmin.msR Fs dnell'es RFs sòla è1 1µVvariazionese minimaprima jReFs 10 10se.

Quindi la risoluzione è definita rispetto ad un fondo scala (ad esempio nel display R è pari a 6 e mezzo).

• Oss: l’accuratezza non mi basta perché mi dà solo una maggiorazione dell’errore massimo che commetto.
• Sensibilità: è la minima variazione in assoluto che posso apprezzare con lo strumento (risoluzione con il fondo scala minimo). Se poi questa variazione è significativa o no me lo dice l’accuratezza || 3º parametro più importante 5 E Dilma1 03 19.

Riassunto

• Processo di misura -> sistema di misura -> parametri che lo caratterizzano:
• Accuratezza AEEman.
• Risoluzione Reaves.
• Sensibilità series.mn.
• Precisione.

Uno strumento si dice preciso se facendo misure ripetute si ottiene sempre il solito valore strumento Misure preciso strumento poco preciso afa.

È definita come 1 - lo scostamento della misura j-esima rispetto al valor medio fpuoi calcolo e LJ1ideale 1Idealecaso ideale P 41caso.

Uno strumento preciso è anche accurato? Non necessariamente, se prendo uno strumento che presenta un offset ho un errore tra la misura reale e quella ideale.

Uno strumento accurato è anche preciso? Sì perché l’accuratezza è l’errore massimo che si commette e se lo strumento è molto accurato allora l’errore che si commette è piccolo per cui per quanto possono essere distribuite le misure l’errore massimo è piccolo e ho allora una buona precisione.

Quindi accuratezza comporta precisione ma non il viceversa.

Convertitori A/D

Riprendo lo schema generico di un apparecchio di misura: FFI Grandezza sistema di misura fisica erI 1 conversione condizionamento elaborazione Sensoriflettrodi Misurando Digitale analogico analizzo conversioneElaborazione MC DayAIDanalogica.

Cosa fa un ADC: prende in ingresso un segnale analogico (segnale che preso in un intervallo di tempo T può assumere un numero infinito di valori) ker.lvdiriferimento Vannb.tvADC 1tifa 1 I st1i Tlivellidi 14 2Numeri livelli8h3se n ADCfare comporta erroreconversioneuna mivan diperché rappresentodi numeromisura unIÌ I finitovalori n'bit diminuiscoun noncon il bitdei hoio aumentandol'errore quindinon euno un'accuratezzavoi miglioreI 1ooo el T.

Frequenza di campionamento: deve essere tc sia in grado di dire al sistema di prelevare un campione.

Nel procedimento di conversione AD devo tenere fermo il dato a quel valore per il tempo necessario al sistema, quindi commetto un errore perché il segnale su cui sto lavorando non è più il segnale tempo continuo ma è un segnale sempre analogico ma tempo discreto Vanì art Nuno ivoi ilooo staten.

Schema a blocchi ADC

• Serve un circuito che prende in ingresso un dato analogico e mi dia in uscita un dato digitale e questo prende il nome di architettura di conversione freec'È i tntfcr.
• Con la porta di campionamento posso tenere fermo il dato quando devo convertirlo.
• Per il teorema di Nyquist ho una limitazione sulla frequenza di campionamento (deve essere due volte la frequenza del segnale) -> per risolvere questo problema metto un filtro passa basso con frequenza di taglio a f /2 prima della porta di ck campionamento freeFiltroVa_ _Porta dipassa arch.t.jpbasso diconocampionarila angleand holdTÈ.

(Non affrontiamo il filtro PB perché già fatto ad elettronica, ci concentriamo sulla porta di campionamento e sulle architetture di conversione).

Porta di campionamento

• Vogliamo prendere un dato dal segnale analogico ad un certo tempo e tenerlo costante per un tempo che voglio a tenuta. -> campionamento Lo realizzo nella maniera più semplice: caricando un condensatore a far.
• Così però abbiamo che si carica con una costante di tempo che dipende dalla Rv da sinistra e si scarica con una costante di tempo che dipende dalla Rv da destra VitNsa AHmmmÈsta metto bufferun disolitoMosicon.

Metto un altro buffer anche sull’uscita fai tetti.

• Questa porta si può realizzare anche con i transistor utilizzati come diodi; a volte conviene perché la frequenza di commutazione massima dei transistor è molto più grande rispetto a quella dell’opamp.

Limiti di questa porta di campionamento

• Analizzo più nel dettaglio il grafico Va via idealmentei realmente Ildi altempotempo acquisizione necessario ilSist per acquisiredelMs alHfait nuovo segnaledi11 analogico primata campionariopiacimentopiccolodi sample può aesserenontempoHp da devovalemente allargarloquanto tacedipendenteperchéTs nino valal di caricarsi dial tensione1Tpermettereper.
• La massima variazione nel tempo della carica sul condensatore: dipende dallo slewrate dell’opamp due ImaxDI cdiOrdini grandezza 11Imax 100nA µssuonidi qualcheTempi nsacquisizione.

Considerazioni tempo di acquisizione

• Il tempo di acquisizione però non è sempre uguale, in base al salto cambia (se salto grande il tempo è più grande a parità della stessa corrente massima) -> calcolo il tempo di acquisizione nel caso peggiore Tao7quindi voglio l'interruttore istantaneamente perchésinon apre la dicapacitàMos Gatedeve scaricarsiseNsaa ledefluire lacunedevonomentre 135Te insebaseoh l'Eap ditapti Heroduceapertatempoditappe apertura di aperturaerroreMshITHHtatra Instap 10ns1ns Iperchi tap Sesecondi deEsito che anticipoun sommarsifottarsivae'comein a aritardo dequesto Herè El'apertura unico ε.
• Se so che il transistore si apre dopo t posso anticipare l’apertura di t in modo da diminuire ? È difficile ma si può AP AP AP fare però non si elimina l’errore l'artrite dtempocheimpiega Horaf convertire Non per_conversione Ten taa tonotn.pt È far aE fin fa tantumsirr tow andamenti.

Considerazione possibili vaNsa RVsa tee MshMsha Ail didell'andamentoQuesta DREprendevariazione offnome nous.

• È la variazione della carica (quindi tensione) sul condensatore nella fase di hold e rappresenta la variazione del valore campionato durante la fase di hold dnell'ordineDr 1 È ftp.rmy.

Problema di queste porte: offset degli opamp

Problema di queste porte: offset degli opamp fainoVa v µ VinthortvaL.

• In generale gli operazionali possono essere costruiti per avere tensioni di offset basse ma questo comporta correnti di polarizzazione alte (è valido anche il viceversa).
• Se scelgo operazionale con V bassa abbiamo le correnti di polarizzazione più grandi -> per il primo scelgo un opamp con IOV bassa (le correnti di polarizzazione non influiscono molto) mentre per il secondo voglio una bassa corrente di IOpolarizzazione al costo di avere una tensione di offset più alta.
• Come elimino l’offset in uscita? f la vi dell'OPAM.prop.ciynoncie sull'OPAMPavirtualectoIper ilva chevia nonnaL laclockil ritrovotensione VarnaPer virtuale c'èqui imposta pari euna asull'OPAMPanche.

• In questo modo prendo il secondo operazionale con correnti di polarizzazione piccole anche se questo comporta V più grande perché quest’ultima non compare nell’uscita IO2.
• In questo modo però rispetto a prima abbiamo che il tempo di acquisizione è più lungo perché nella fase di HOLD l’opamp1 è in saturazione e quando commuta deve uscire dalla zona di saturazione e quindi è più lento il tempo di acquisizione 6 3 19.

Riassunto: ADC tempo discreto

Riassunto: ADC tempodiscreto freeFiltroVa_passa _Porta di arch.t.jpbasso diconocampionarifa angleand holdTÈ.

Architettura di conversione: prende in IN il segnale che esce dalla porta di campionamento e mediante una tensione di riferimento la traduce in una stringa di bit. Ci sono tre famiglie di ADC.

• 1. A confronto.
• 2. Conversione tensione/tempo.
• 3. Conversione tensione/frequenza (questa non lo facciamo).

• 1. A confronto.
• A. FLASH.
• B. PIPELINE.
• C. SAR.

• 2. Conversione tensione/tempo.
• A. Integrativo a doppia rampa.

A confronto

• Fa un confronto tra tensioni in.
• Pongo la dinamica in IN del convertitore pari alla V (costante), cerco dove cade VREF SH direi nell’intervallo di riferimento per potergli assegnare una codifica.
• Prendo un ADC con 3bit avreiva livellimail.se3ktvi nnasax nos 1o ooq o ii 0io iu 0oe riferimentol'intervallo didire dividoad 2Veep insottointerrallIkerVan _111 diarchitettura Vsconfrontarepermette110 questa misax dil'intervallos riferimento7101 basein acon eintervallosotto alla100 quale appartiene associocodiceil corrispettivo011onoiFerrer voiferrei noooq di quantizzazioneEauxperronel'eroinaDil aumentandoVin ferreecosì VigenteKreeiii n'dei bitil l'errorediminuisca ma non siio annullerà mai rappresentoperché un nonio finitoIRC binariocon nvmunioon Bit.