Finalità e programma del corso

Dopo una breve introduzione che riafferma le finalità del corso vengono riportati il programma delle lezioni ed il "programma d'esame" con gli argomenti sui quali verterà la discussione.

 

 


Finalità

Il corso di Misure elettriche svolto per il Corso di laurea in Ingegneria elettronica si propone di fornire allo studente le conoscenze indispensabili per poter correttamente effettuare la misurazione delle grandezze elettriche.

Concetti quali la incertezza, il consumo e la conseguente alterazione dello stato del sistema sotto misura vengono ampiamente trattati per la loro indubbia importanza.

Vengono poi introdotti i concetti base della conversione Analogico-digitale sia a valore istantaneo, sia a valore medio ponendo in risalto i pregi ed i difetti delle due tecniche. Vengono quindi trattati criticamente i convertitori A/D principali ed illustrato il funzionamento dei multimetri numerici.

Un'ampia parte del corso è dedicata alla descrizione dei parametri che modellano il comportamento dei componenti reali mediante le reti equivalenti di questi ultimi. Segue alla discussione delle reti equivalenti dei tre componenti passivi principali la descrizione dei metodi idonei alla valutazione di tali parametri incogniti. Vengono in questa fase esaminati metodi di misura per "continua", per "bassa frequenza" e per "alta frequenza". In tutti i casi viene dapprima descritto il funzionamento teorico del metodo o degli strumenti per poi prendere in esame l'effetto della realtà fisica dello strumento o del circuito di misura.

Una parte del corso è poi dedicata allo studio del principio di funzionamento di oscilloscopi ed analizzatori di spettro sia numerici, sia analogici. Anche in questo caso vengono portati all'attenzione degli studenti i problemi legati alla realtà fisica degli strumenti studiati.

 


Programma del corso

Richiami di metrologia, unità di misura, campioni

Norma UNI 4546: definizione relative alle misurazioni. Grandezze razionali, strumentali, selettive, numerali. 
Sistemi di unità di misura: sistemi assoluti ed equazioni di coordinamento. Sistema SI; unità di misura per le grandezze elettriche.
Requisiti dei campioni. Gli Istituti metrologici. Cenni sui campioni nazionali e sui campioni primari delle principali grandezze elettriche: volt (generatore ad effetto Josephson, pila di Weston) ohm (convertitore ad effetto Hall quantizzato, resistori in leghe metalliche), secondo (oscillatore a cesio 133). Campioni secondari: generatori stabilizzati a diodo zener, resistori shunt, oscillatori quarzati, circuiti a rete RC.

Incertezze

Cause sistematiche ed accidentali di incertezza: rumore elettrico, temperatura, consumo strumentale. Incertezze assolute e relative. Cifre significative. Propagazione delle incertezze nelle misurazioni indirette. Metodi per la riduzione della incertezza e per la correzione dello "errore di consumo".

Intervallometri e frequenzimetri

Intervallometro numerico: componenti base (oscillatore, gate, contatore di eventi), funzionamento e cause di incertezza. 
Periodometro numerico: componenti base, funzionamento e cause di incertezza.
Frequenzimetro numerico: componenti base, funzionamento e cause di incertezza. Disturbi a bassa e ad alta frequenza e circuito formatore a comparatore con isteresi.

Convertitori AD e DA

Conversione analogico-digitale: scopo e procedure. 
Circuito campionatore (Sample-hold): principio di funzionamento, cause di incertezza: banda passante, droop, pedestal.
Convertitori AD a valore istantaneo: convertitore flash, convertitore a successive approssimazioni, convertitore ad inseguimento. 
Convertitori AD a valore medio: reiezione ai disturbi alternati ed ai disturbi impulsivi, criteri di scelta per la durata dell'intervallo di integrazione. Convertitore tensione-tempo a doppia rampa.
Convertitori DA a resistenze pesate, a rete di resistenze.

Convertitori TRMS/CC

Valore efficace dei segnali periodici. Convertitore TRMS/CC con amplificatori log e antilog.
Cenni sui convertitori RMS/CC

Strumenti indicatori

Voltmetro numerico: componenti base (partitore resistivo e condizionamento del segnale di ingresso, circuiti di protezione contro i sovraccarichi, convertitore TRMS/CC, convertitore AD), funzionamento e cause di incertezza.
L'amperometro numerico: componenti base (shunt e condizionamento del segnale di ingresso, circuiti di protezione contro i sovraccarichi, convertitore TRMS/CC, convertitore AD), funzionamento e cause di incertezza.
Dispositivi per ampliare il campo di misura di voltmetro e amperometro: Sonde per le misure in alta tensione. Shunt esterni. Trasformatori voltmetrici (TV). Trasformatori amperometrici (TA) convenzionali ed a nucleo apribile ("TA a pinza"). Incertezze introdotte dai trasformatori voltmetrici e amperometrici: incertezze di modulo e di angolo.
Wattmetro: schema a blocchi, cause di incertezza. Effetto delle incertezze di TV e TA.

Strumenti rivelatori di zero

Sensibilità e consumo: amplificatori di ingresso. Amplificatori ad accoppiamento diretto, offset, deriva del'offset, sensibilità. Amplificatore a chopper. Amplificatore selettivo.

Strumenti e metodi per la misurazione dei componenti

Ohmetro digitale; metodo potenziometrico per misurazioni di resistenza.
Inserzione VA metrica: schema ed equazioni per CC, schema ed equazioni per CA.
Ponte di Wheatstone: condizione di equilibrio, sensibilità.
Ponte di Schering: condizione di equilibrio, convergenza del ponte all'equilibrio e condizione di massima velocità, capacità parassite, schermo e frequenza di lavoro.

Oscilloscopio

Oscilloscopio analogico: tubo a raggi catodici, circuiti di deflessione verticale, orizzontale e di trigger.
Oscilloscopio analogico a traccia multipla: funzionamento chopped e alternated.
Sonde e loro compensazione.
Oscilloscopio numerico: circuito di campionamento. Registrazione di segnali periodici e frequenza minima di campionamento. Sottocampionamento sincrono ed asincrono di segnali periodici, banda equivalente. Registrazione di segnali non periodici e frequenza di campionamento minima. Pretrigger.

Analizzatore di spettro

Analizzatore di spettro a filtri multipli: componenti base, funzionamento, cause di incertezza, applicazioni.
Analizzatore di spettro con rivelatore a supereterodina: componenti base, funzionamento, cause di incertezza.
Analizzatore di spettro a FFT: cenni alla trasformata discreta di Fourier, la finestratura del segnale ed il leakage, le finestrature non rettangolari.

Misurazioni e prove per la qualità del prodotto, ATE.

La Norma UNI EN 29000 (serie). Il concetto di qualità ed il costo della qualità. Il ruolo della misurazione nel processo di ricerca della qualità. Il costo della verifica.
CAT (computer aided test) e ATE (automatic test equipement): evoluzione della tipologia costruttiva. Sistemi e standard di interfacciamento. Caratteristiche generali e prestazioni del sistema IEEE 488. Struttura a livelli funzionali. Bus cable. Indirizzamento. Controller, talker, listener. Data mode e command mode. Protocolli di comunicazione. Cenni alla programmazione delle periferiche e del controller. Device dependent command e codice SCPI. Strumentazione virtuale.

Trasduzione delle grandezze non elettriche.

Trasduttori: scopo dei trasduttori, interazione dei trasduttori con il mondo reale, grandezze di infuenza.
Caratterizzazione in regime stazionario e dinamico dei trasduttori. 
Classificazione dei trasduttori: trasduttori attivi e passivi. 
Trasduttori "intelligenti" (smart sensors).

Trasdutori resistivi.

Resistività, resistenza e loro dipendenza dalle grandezze geometriche, fisiche e chimiche.
Trasduttori potenziometrici: funzionamento ed applicazioni.
Termoresistori e termistori: funzionamento ed applicazioni.
Estensimetri: funzionamento ed applicazioni.
Funzionamento a squilibrio del ponte di Wheatsone. 

Trasduttori capacitivi ed induttivi.

Capacità ed induttanza e loro dipendenza dalle grandezze geometriche, fisiche e chimiche.
Trasduttori capacitivi: funzionamento ed applicazioni.
Trasduttori induttivi: funzionamento ed applicazioni.
Funzionamento ed applicazioni dei trasformatori differenziali:

Trasduttori ad effetto Hall - magnetoresistori.

Effetto, angolo e tensione di Hall e loro dipendenza dalle grandezze geometriche, fisiche e chimiche.
Trasduttori ad effetto Hall: funzionamento ed applicazioni.
Magnetoresistori, magnetopotenziometri

Trasduttori piezoelettrici.

Materiali piezoelettrici, effetto piezoelettrico assiale e trasversale.
Trasduttori piezoelettrici: funzionamento ed applicazioni.
Funzionamento degli amplificatori di carica.

Encoder ottici

Encoder assoluto, codifica Gray. Encoder incrementale. 

 


Programma d'esame

Richiami di metrologia, u.d.m., campioni

  1. La misurazione delle grandezze numerali, razionali e strumentali.
  2. La misura. Valore, incertezza, unità di misura.
  3. Sistema di udm "non coerenti" e "coerenti". Il sistema SI, le udm fondamentali.
  4. Il chilogrammo, il secondo, il metro.
  5. Definizione dell'ampere, campioni di corrente.
  6. Campioni di f.e.m. ad effetto Josephson e Pile Weston (cenni).
  7. Campione di f.e.m. a diodo zener.
  8. Principio di funzionamento del campione di resistenza ad effetto Hall quantistico (cenni).
  9. Campione di resistenza in lega metallica. Resistori a 4 morsetti.

Incertezze

  1. Incertezza assoluta, relativa e percentuale, cifre significative.
  2. Espressione della incertezza degli strumenti numerici.
  3. Esercizio sulla determinazione delle incertezze e delle cifre significative per uno strumento numerico.
  4. Incertezze accidentali e sistematiche: possibili cause ed azioni correttrici.
  5. Errori di perturbazione.
  6. Regole di propagazione dell'incertezza per le misure derivate.

Strumenti numerici per le misurazioni di tempo e frequenza

  1. Intervallometro numerico.
  2. Periodometro numerico.
  3. Frequenzimetro numerico.

Convertitori A/D

  1. Conversione analogico-digitale: scopo, campionamento, quantizzazione codifica.
  2. Incertezza di quantizzazione, errore di aliasing.
  3. Conversione A/D a valore istantaneo e a valore medio.
  4. Sample-hold
  5. Convertitore "parallelo" ("flash" converter)
  6. Convertitore a successive approssimazioni.
  7. Convertitore "tensione-tempo" a doppia rampa.

Convertitori RMS/DC e TRMS/DC

  1. Definizione di valore efficace. Strumenti "a valore efficace" (RMS) e "a vero valore efficace" (TRMS).
  2. Convertitore TRMS/CC con amplificatori log e antilog.

Strumenti numerici per le misure di tensione, corrente, resistenza e potenza

  1. Voltmetro in CC ed in CA: schema, cause di incertezza
  2. Amperometro in CC e CA: schema, cause di incertezza.
  3. Ohmetro numerico con convertitore a doppia rampa.
  4. Misurazione di tensioni maggiori della portata del voltmetro in CC: partitori resistivi (sonde)
  5. Misurazione di correnti maggiori della portata dell'ampermetro in CC: shunt.
  6. Ampliamento del campo di misura degli strumenti in CA: TV e TA.
  7. Wattmetro elettronico
  8. Incertezza d’angolo di TV e TA e conseguenze nella misura di potenza

Rivelatori di zero

  1. Rivelatori di zero in AC: offset, rumore, amplificatore selettivo.
  2. Rivelatori di zero in DC: offset, amplificatore a chopper.

Strumenti per l’analisi dei segnali nel dominio del tempo - Oscilloscopi

  1. Il tubo a raggi catodici.
  2. I canali della deflessione verticale e orizzontale.
  3. La compensazione in frequenza dell'attenuatore di ingresso e delle sonde.
  4. Oscilloscopio a doppia traccia: modo alternated.
  5. Oscilloscopio a doppia traccia: modo chopped.
  6. Oscilloscopio numerico.
  7. Frequenza minima di campionamento e "sottocampionamento"
  8. Registrazione di fenomeni transitori
  9. Pretrigger.

Strumenti per l’analisi dei segnali nel dominio della frequenza - Analizzatori di spettro

  1. Analizzatore di spettro a FFT, periodicizzazione e risoluzione in frequenza.
  2. Errore di Leakage e azioni per la sua riduzione: "finestre non rettangolari".
  3. Analizzatore di spettro a filtri multipli.
  4. Analizzatore di spettro a scansione con circuito supereterodina.
  5. Legame fra risoluzione in frequenza, tempo di scansione e ampiezza del campo di analisi.

Caratterizzazione di componenti passivi

  1. Misura di R con VA metrica a monte
  2. Esercizio numerico sulla misura di R con VA metrica a monte
  3. Misura di R con VA metrica a valle
  4. Esercizio numerico sulla misura di R con VA metrica a valle
  5. Metodi a ponte: condizione di equilibrio.
  6. Ponti in CA: ponti a rapporto e a prodotto reale e immaginario.
  7. Ponte di Schering.
  8. Esercizio numerico sul ponte di Schering.
  9. Parametri parassiti e schermatura.

 


Regolamento d'esame

L'esame del corso "Misure elettriche" si compone di una prova preliminare scritta e di una prova orale.

Durante la prova scritta il candidato dovrà rispondere a domande inerenti la materia oggetto del corso. 
L'elaborato relativo alla prova scritta verrà valutato con un voto espresso in trentesimi.

Il candidato che si dichiara soddisfatto del risultato conseguito con la prova scritta ha facoltà di rinunciare alla prova orale. 

Nel caso in cui il candidato intenda sostenere l'orale per modificare il proprio voto dovrà sostenere con competenza tecnica e proprietà di linguaggio una discussione che verte su almeno due fra i temi elencati nel programma d'esame.

 


Ultimo aggiornamento 02/10/07
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