Sistemi di Misura per l'Automazione, prof. Giada Giorgi

DOCENTE DEL CORSO

Giada Giorgi, e-mail: giada@dei.unipd.it, tel.: 049.827.7743, Studio: 308 DEI/A.

Si riceve previo appuntamento (via e-mail) il venerdì dalle 10:30 alle 11:30 oppure in altra data da concordare.
Attenzione: non si riceve nei giorni immediatemente precedenti la prova scritta.

 

MODALITA' D'ESAME

L'esame prevede una prova scritta e una prova di laboratorio.

Prova scritta: lo scritto comprende sia domande di teoria sia esercizi numerici e ha durata pari a 2 ore effettive. Per iscriversi alla prova scritta saranno aperte delle liste di iscrizione su uniweb. Sono previsti 4 appelli durante l'A.A. E' possibile rifare lo scritto: la prova precedente verrà annullata solo se il nuovo scritto viene consegnato per la valutazione. Per mantenere il voto precedente lo studente dovrà ritirarsi dalla prova. Il voto dello scritto ha validità pari ad un anno solare dal momento del conseguimento dello stesso.

Prova di laboratorio: durante il corso lo studente dovrà svolgere in laboratorio 4 esperienze. Per ogni esperienza lo studente dovrà produrre, se previsto, del software in Labview e una relazione sintetica (anche di gruppo), sui risultati ottenuti. Alla prova di laboratorio verrà estratta a sorte una sola esperienza per ogni studente. Lo studente avrà a disposizione il setup dell'esperienza e l'eventuale codice prodotto durante il corso. La prova di laboratorio consiste nella discussione della relazione e dei risultati ottenuti e nel rifacimento di alcune misurazioni previste per l'esperienza. La durata della prova di laboratorio è di circa 30 minuti per ciascun studente. Sarà necessario iscriversi alla prova di laboratorio mediante liste di iscrizione su uniweb. Sono previsti 4 appelli durante l'A.A. Si consiglia tuttavia di sostenere la prova di laboratorio al primo appello di gennaio. Al termine delle lezioni infatti non sarà più possibile accedere ai laboratori per rifare l'esperienza. Il voto di laboratorio ha validità pari a due anni accademici. Lo studente può rifare la prova di laboratorio: l'iscrizione alla prova di laboratorio causa l'annullamento del voto di laboratorio precedente.

Criterio per l'attribuzione del voto finale:

Voto finale = 0.85*voto prova scritta + 0.15* voto laboratorio

entrambi i voti si intendono espressi in trentesimi. Il voto della prova scritta dovrà essere >= 18. Il voto della prova di laboratorio non è vincolante e può essere anche insufficiente oppure nullo se lo studente decide di non seguire il laboratorio previsto dal corso. Il voto finale risultante dovrà essere >= 18 per la registrazione.

 

APPELLI ANNO ACCADEMICO 2014-2015

Iscrizione da uniweb: prova di laboratorio e prova scritta come prove parziali, registrazione come appello finale.

 

PROGRAMMA DEL CORSO

  • Introduzione ai sistemi di misura: Definizione di misurando, sistema di misura, metodo di misura, campione di riferimento. Definizione dei concetti di accuratezza e precisione per un sistema di misura. Metodi di misura per confronto diretto, per confronto indiretto e per sostituzione.
  • Conversione analogico-digitale: definizione dei principali parametri, quantizzazione, codifica , campionamento, parametri statici (transcaratteristica, errore di offset e di guadagno, INL e DNL) e dinamici (rapporto segnale rumore, numero di bit effettivi, SINAD, distorsione armonica totale, spurious free dynamic range). Rumore di quantizzazione: definizione, modello additivo, proprietà spettrali del rumore di quantizzazione. Dither noise.
  • Amplificatori Sample & Hold (SHA): parametri statici e dinamici. Tempo di apertura, jitter di apertura. Droop rate, feedthrough, tempo di chiusura, tempo di carica. Esempi.
  • Convertitori analogico-digitali (ADC): Analisi delle principali architetture: flash parallelo, ad approssimazioni successive (SAR), a singola rampa. a doppia rampa, a conversione tensione-frequenza, sigma-delta e tecnica a sovraccampionamento.
  • Contatori: misure di tempo e frequenza.
  • Convertitori digitale-analogico (DAC): schema di prinicpio, analisi in frequenza. Analisi delle principali architetture: a resistenze pesate, con rete di resistenze a scala, a partitore di tensione. Cenni sulla sintesi digitale: segnale a gradini, spettro in frequenza, filtro di ricostruzione.
  • Tecniche di elaborazione dei segnali: Analisi spettrale per via numerica: definizione trasformata discreta di Fourier DFT. Analisi degli effetti dell'operazione di campionamento e di troncamento spettrale, introduzione ed analisi nucleo di Dirichlet, esempio per un segnale sinusoidale. Campionamento coerente e non coerente: leakage spettrale, impiego di finestre per la riduzione del leakage. Analisi granularità in frequenza: incertezza stima posizione del picco e stima delle ampiezze, definizione di scalloping loss. Analisi segnale multi frequenziale: interferenza spettrale, capacità di risolvere picchi vicini, definizione e significato banda a -6dB di una finestra. Analisi rumore: definizione di coherent gain, coherent power gain, incoherent power gain, equivalent noise bandwidth.
  • Schede di acquisizione programmabili (DAQ): schema a blocchi generale. Campionamento: simultaneo e a divizione di tempo. Modalità di acquisizione: continua e finita. Tipologie di trigger: digitale su singolo canale o su sorgenti multiple, analogico di tipo livello pendenza o su finestra. Collegamento con la sorgente di segnale: differenziale e verso massa.
  • Incertezza di misura: definizione di incertezza. Incertezza di misura nelle misure dirette: di tipo A e di tipo B. Incertezza nelle misure indirette: legge di propagazione dell'incertezza, metodo Monte Carlo. Incertezza estesa, intervallo di confidenza, livello di confidenza, fattore di copertura. Compatibilità tra misure. Esempi di calcolo dell'incertezza.
  • Sensori: parametri statici: transcaratteristica, accuratezza, retta di approssimazione, offset e sensibilità, metodi di approssimazione: metodo degli estremi e metodo basato sulla regressione lineare, errore di linearità, risoluzione.

    • Estensimetri: principio di funzionamento, definizione coefficiente di strain gauge, cenni sulla piezoresistività, estensimetri metallici, estensimetri a semiconduttore.
    • Sensori di temperatura passivi: termoresistori RTD, termistori NTC, sensori di temperatura integrati (a diodo).
    • Termocoppie: principio di funzionamento, effetto Seebeck, principali proprietà delle termocoppie e loro implicazione, tipi di termocoppie. CJC.
    • Sensori capacitivi: misuratori di livello, sensori capacitivi differenziali.
    • Accelerometri: comportamento dinamico e statico, accelerometri capacitivi e basati sulla conduzione di calore.
    • Sensori ad ultrasuoni: introduzione agli ultrasuoni, principio di funzionamento dei trasduttori ad ultrasuoni, tecniche di misura, modalità di visualizzazione.


  • Trasduzione del segnale: Misura della resistenza incognita mediante un semplice partitore resistivo: linearizzazione per piccole variazioni di resistenza. Misura della resistenza incognita mediante ponti a deflessione: linearizzazione per piccole variazioni, schema circuitale per grandi variazioni, effetti della resistenza di collegamento. Amplificatore differenziale: richiami sul funzionamento, effetti dell'incertezza delle resistenze, tensione di modo comune, calcolo CMRR. Amplificatore differenziale per strumentazione: principio di funzionamento. Amplificatori a guadagno programmabile. Filtri analogici: calcolo parametri filtri di Butterworth.
  • Sistemi di misura distribuiti: introduzione. Tecniche di sincronizzazione: standard IEEE 1588.
  • Affidabilità : introduzione funzione di affidabilità , tasso di guasto e parametri principali (MTTF, ecc.). Tecniche di progettazione.
  • [laboratorio] Oscilloscopio digitale (DSO): schema a blocchi, ciclo di funzionamento, velocità di aggiornamento, meccanismo di trigger, hold-off. Canale di ingresso dell'oscilloscopio: impedenza di ingresso, modalità di accoppiamento DC, AC. Definizione di banda passante dello strumento.
  • [laboratorio] Oscilloscopio per segnali misti (MSO): specifiche, modalità di acquisizione di segnali digitali (incertezza istanti di transizione, tecniche efficienti di memorizzazione), sonde e connettori, modalità di trigger: patter trigger, meccanismo "time-qualified", identificazione e visualizzazione dei glitch. Misure con oscilloscopio.
  • [laboratorio] Bus di comunicazione: bus I2C. Descrizione protocollo e misure di laboratorio.
  • [laboratorio] LabVIEW: presentazione ambiente di lavoro, analisi flusso di esecuzione. Programmazione di schede di acquisizione.

MATERIALE DIDATTICO

Dispense del corso ed eserciziario:

Slides del corso (in formato pdf protetto. La password verrà comunicata a lezione).