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

Scopo dell'insegnamento di Misure elettroniche impartito al Corso di Laurea triennale in Ingegneria Elettronica è quello di fornire allo studente le conoscenze indispensabili per poter correttamente usare la moderna strumentazione al fine di effettuare  misurazioni su segnali elettrici in bassa frequenza.

Dopo una introduzione che tende a illustrare le caratteristiche dei sistemi di unità di misura e dei relativi campioni verrà introdotto il fondamentale concetto di incertezza della misura e si analizzeranno le formule per la sua propagazione nel caso di misurazioni derivate.
Si studieranno i  principali strumenti indicatori: voltmetro, amperometro, multimetro, ohmetro, wattmetro e gli accessori necessari per ampliarne il campo di misura. 
Il corso prenderà quindi in esame alcuni fra i più comuni metodi per la misurazione dei parametri di componenti sia in continua sia in alternata.
Successivamente verranno illustrati gli schemi di principio ed il funzionamento dell'oscilloscopio, analogico e numerico, e dell'analizzatore di spettro numerico.
Verranno poi studiati i dispositivi elettronici con cui si attua la conversione Analogico-digitale.
L'ultima parte del corso sarà dedicata alla introduzione dei principali e più diffusi sistemi di trasduzione delle grandezze fisiche in segnali elettrici.

 


Programma del corso

Misurazione delle grandezze fisiche

Scopo della misurazione ed interesse per le misure elettriche ed elettroniche

Il processo della misurazione ed il suo prodotto teorico. I privilegi delle grandezze elettriche. Il processo reale secondo la definizione di "misura" fornita dalla Norma UNI 4546 ed il concetto di incertezza.

Norma UNI 4546: Definizioni principali relative alla misurazione di grandezze fisiche.

Grandezza. Grandezza di tipo numerale, razionale, strumentale, selettivo, complesso. 

Parametro. Segnale e rumore. 

Unità di misura e Sistemi di UdM.

Sistemi di unità di misura:

Unità di misura "materiali" e "naturali".

Sistemi assoluti ed equazioni di coordinamento. 

Sistema SI;  Unità di misura SI per le grandezze elettriche.

Campioni:

Gli Istituti metrologici ed i campioni.  Requisiti dei campioni. 

Cenni ai campioni nazionali ed ai 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 e campioni pratici: generatori stabilizzati a diodo zener, resistori shunt, oscillatori quarzati, circuiti a rete RC.

Incertezze

La incertezza della misurazione. Incertezze assolute e relative. Propagazione delle incertezze nelle misurazioni indirette. 

Cause sistematiche ed accidentali di incertezza: rumore elettrico, temperatura, consumo strumentale. 

Determinazione statistica della incertezza strumentale. 

Metodi per la riduzione della incertezza e per la correzione delle perturbazioni strumentali. 

Cifre significative e regole di scrittura della misura. 

Strumenti indicatori (numerici)

Introduzione alla misurazione digitale di grandezze elettriche e di tempo

I principali parametri misurabili della tensione elettrica, della corrente elettrica, e delle grandezze funzioni del tempo.

Cenni agli strumenti analogici e confronto con quelli numerici: facilità di lettura; possibilità di elaborazione in senso lato. 

La incertezza di quantizzazione, la capacità del registro binario ed il numero di bit. 

La espressione della "incertezza strumentale" dichiarata dal costruttore.

Intervallometro numerico

Componenti base (oscillatore, gate, contatore di eventi); schema elettrico; funzionamento ideale. 

Funzionamento reale e cause di incertezza. Metodi per la riduzione della incertezza.

Periodometro numerico

Componenti base (oscillatore, gate, blocco f/2, contatore di eventi); schema elettrico; funzionamento ideale. 

Funzionamento reale e cause di incertezza. Metodi per la riduzione della incertezza. 

Periodometro reciprocale

Frequenzimetro numerico

Componenti base (oscillatore, gate, blocco formatore impulsi, contatore di eventi); schema elettrico; funzionamento ideale. 

Funzionamento reale e cause di incertezza. Metodi per la riduzione della incertezza. 

Circuito formatore a comparatore con isteresi. Frequenzimetro reciprocale.

Voltmetro numerico

Componenti base: partitore resistivo e condizionamento del segnale di ingresso, circuiti di protezione contro i sovraccarichi, conversione AD a valore medio, reiezione ai disturbi alternati ed ai disturbi impulsivi, criteri di scelta per la durata dell'intervallo di mediazione. Cause di incertezza del voltmetro.

Convertitore "tensione-tempo a doppia rampa".

La tensione alternata a bassa frequenza. Il valore efficace dei segnali periodici. Misurazione del valore efficace RMS e TRMS.  Convertitori TRMS-to-DC e convertitori RMS-to-DC.

Amperometro numerico

Componenti base (convertitore resistivo i/v e circuiti di protezione contro i sovraccarichi), funzionamento e cause di incertezza.

Ohmetro numerico

Schema a blocchi, principio di funzionamento, cause di incertezza.

Ohmetro con convertitore v/t a doppia rampa modificato.

Multimetro

Funzioni più comuni del multimetro.

La massa del multimetro, la terra ed il conduttore PE.

Alimentazione a batteria e da rete del multimetro.

Dispositivi per ampliare il campo di misura di voltmetro e amperometro:

Partitori resistivi e Resistori shunt. 

Trasformatori voltmetrici (TV). Trasformatori amperometrici (TA) convenzionali ed a nucleo apribile ("TA a pinza"). Incertezze introdotte da TV e TA: incertezze di modulo e di angolo. "Pinza per Corrente Continua".

Wattmetro numerico

La potenza elettrica.

Schema a blocchi, principio di funzionamento, cause di incertezza.

Contatore di energia numerico

La energia elettrica.

Schema a blocchi, principio di funzionamento, cause di incertezza.

Rivelatori di zero

Sensibilità e consumo, amplificatori di ingresso. 

Amplificatori ad accoppiamento diretto (DC amplifier), offset, deriva dell'offset, sensibilità.

Amplificatori ad accoppiamento in alternata (AC amplifier) e selettivo. 

Amplificatori a chopper.

Metodi per la caratterizzazione dei componenti

Componenti, reti equivalenti, parametri

I circuiti elettrici e gli schemi elettrici: realtà e modello. 

Componenti, reti equivalenti, parametri. Purezza e parametri parassiti. 

Resistori, resistenza e costante di tempo.

Condensatori, capacità e fattore di dissipazione.

Induttori, induttanza e fattore di qualità.

Misurazione della resistenza

Inserzione VA metrica: schema delle inserzioni "a monte" ed "a valle" ed espressione risolutiva ideale, perturbazione strumentale, condizioni di alimentazione (riscaldamento e deriva termica);

Ponte di Wheatstone: schema elettrico e condizione ideale di equilibrio. Condizione reale di equilibrio. 

Condizione di massima sensibilità, condizione di minima incertezza.

Misurazione di impedenze:

Ponti di misura in alternata: schema elettrico "base" e condizione ideale di equilibrio. 

Ponti "a rapporto" e "a prodotto" reale o immaginario. 

Convergenza del ponte all'equilibrio e condizione di massima velocità. 

Capacità parassite, schermo e frequenza di lavoro.

Ponte di Schering: schema elettrico e condizione di equilibrio.

Strumenti analizzatori

Analisi dei segnali elettrici nel dominio del tempo

La definizione di "segnale", la funzione temporale che descrive il segnale, la variabile tempo. Il risultato della analisi temporale. I segnali periodici.

Il caso particolare dei segnali localmente periodici.

Oscilloscopio analogico:

Tubo a raggi catodici a deflessione elettrostatica.

I circuiti di deflessione verticale e orizzontale, il circuito di trigger. 

Sonde e loro compensazione. 

Traccia multipla: funzionamento chopped e alternated. 

Doppia base dei tempi. 

Funzionamento X-Y.

Oscilloscopio numerico:

Schema di principio, circuito di campionamento e memoria.

Tubo a raggi catodici a deflessione magnetodinamica. Display LCD.

Registrazione di segnali periodici e periodo massimo di campionamento. Sottocampionamento sincrono ed asincrono di segnali periodici, banda equivalente.

Registratore di transienti:

Registrazione di segnali non periodici. Periodo massimo di campionamento. Pretrigger.

Analisi dei segnali elettrici nel dominio della frequenza

La trasformata di Fourier di un "segnale", la funzione della frequenza che descrive il segnale, la variabile frequenza. 

Lo spettro del segnale ed il risultato della analisi spettrale. I segnali periodici.

Analizzatore di spettro a FFT:

Teorema del campionamento. 

Campionamento teorico e reale, periodicizzazione ideale. 

La finestratura reale del segnale ed il leakage, le finestrature non rettangolari. 

La frequenza minima di campionamento, l’alias ed il filtro anti alias. 

Lo stadio a frequenza intermedia e la supereterodina.

Analizzatore di spettro con rivelatore a supereterodina:

Componenti base, schema elettrico, funzionamento, cause di incertezza.

Conversione e convertitori AD

I vantaggi del segnale digitale nei confronti di quello analogico

Reiezione ai disturbi ed occupazione della linea di trasmissione.

Incertezza di quantizzazione e numero di bit in uscita.

Circuito campionatore (Sample-hold)

Funzionamento ideale del Sample-hold.

Le cause di incertezza.

Banda passante, droop, pedestal.

Conversione AD a valore istantaneo

Convertitore flash: schema e funzionamento ideale.

Le cause di incertezza. Convertitore semiflash, schema e cause di incertezza.

Convertitore a successive approssimazioni: schema e funzionamento ideale.

Le cause di incertezza. 

Convertitore ad inseguimento: rumore di quantizzazione.

 


Regolamento d'esame

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

Durante la prova scritta il candidato dovrà risolvere problemi inerenti la misurazione di grandezze elettriche. 

Nella prova orale il Candidato dovrà sostenere con competenza tecnica e proprietà di linguaggio una discussione che verte su almeno due fra i temi che sono stati trattati durante il ciclo delle lezioni svolte e che sono elencati, per chiarezza, nel "Programma d'esame" sotto riportato.

 


Programma d'esame  AA 2013-2014  (definitivo)

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. Il sistema SI e 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.
  7. Campioni di f.e.m a pila di Weston.
  8. Campioni di f.e.m. a diodo zener.
  9. Campione di resistenza ad effetto Hall quantistico.
  10. Campioni 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. Incertezze accidentali: possibili cause ed azioni correttrici.
  4. Incertezze sistematiche, errori di perturbazione, possibili cause ed azioni correttrici.
  5. Regole di propagazione dell'incertezza per le misure derivate: caso generale.
  6. Propagazione dell'incertezza: casi particolari (somme, sottrazioni, prodotti e rapporti).

Strumenti numerici per le misurazioni di tempo e frequenza

  1. Intervallometro numerico.
  2. Periodometro numerico.
  3. Frequenzimetro numerico.
  4. Periodometro MPA.
  5. Frequenzimetro reciprocale.

Convertitori A/D

  1. Conversione analogico-digitale: scopo, campionamento, quantizzazione, codifica.
  2. Incertezza di quantizzazione;
  3. Teorema di Shannon, errore di alias.
  4. Cause dei rumori elettrici (temperatura, rete di distribuzione, telecomunicazioni).
  5. Conversione A/D a valore istantaneo e a valore medio.
  6. Sample-hold.
  7. Convertitore "parallelo" ("flash" converter) e "pipelined"
  8. Convertitore a successive approssimazioni.
  9. Convertitore "tensione-tempo" a doppia rampa.

Convertitori RMS/CC e TRMS/CC

  1. Strumenti "RMS" e "TRMS".
  2. Convertitore "RMS/CC" con diodo/condensatore.
  3. 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.
  2. Amperometro in CC e CA.
  3. Ohmetro numerico con convertitore a doppia rampa.
  4. Misurazione di tensioni maggiori della portata del voltmetro in CC: sonde (partitori resistivi).
  5. Misurazione di correnti maggiori della portata dell'ampermetro in CC: shunt.
  6. Ampliamento del campo di misura del multimetro in CA: TV e TA.
  7. Wattmetro elettronico
  8. Incertezza d’angolo di TV e TA; 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 ed i canali della deflessione verticale e orizzontale.
  2. La compensazione in frequenza dell'attenuatore di ingresso e delle sonde.
  3. Oscilloscopio analogico a doppia traccia.
  4. Oscilloscopio numerico.
  5. Frequenza minima di campionamento e "sottocampionamento"
  6. Registrazione di fenomeni transitori
  7. 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. L'errore di Leakage.
  3. Azioni per la riduzione dell'errore di leakage: "finestre non rettangolari".
  4. Analizzatori di spettro con circuito intermedio a supereterodina

Caratterizzazione di componenti passivi

  1. Misura di R con iserzione VA metrica a monte.
  2. Misura di R con iserzione VA metrica a valle.
  3. Condizioni di alimentazione per la misura di R, riscaldamento e deriva termica.
  4. Metodi a ponte in CA: condizione di equilibrio
  5. Ponti in CA a prodotto e rapporto reale e immaginario.
  6. Ponte di Wheatstone.
  7. Ponte di Schering.
  8. Parametri parassiti e schermatura.

Sensori e trasduttori

  1. Funzione di conversione diretta e inversa, funzioni di influenza.
  2. Diagramma di taratura di un trasduttore
  3. Potenziometri
  4. Termoresistori e termistori.
  5. Trasduttori capacitivi di posizione e di livello.
  6. Trasduttori induttivi di prossimità (proximity).
  7. Trasformatori differenziali.
  8. Piezoelettrici, elettrometro ed amplificatore di carica.
  9. Trasduttori ad effetto Hall.
  10. Magnetoresistori.

 


Ultimo aggiornamento 03/01/14
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