Obiettivi formativi
Alla fine del corso, gli studenti saranno in grado di conoscere e comprendere:
• come trattare i dati di misura, stimare la media campionaria e la varianza campionaria, interpolare dei dati sperimentali e valutare la bontà dell'interpolazione;
• come stimare l'incertezza mediante una fase di progetto e misure multiple, come si propagano le incertezze individuali sul risultato finale di una misura;
• i principi operativi dell'acquisizione digitale dei dati e dell'analisi spettrale;
• alcuni circuiti di condizionamento dei segnali, valutandone le non-idealità più rilevanti;
• il funzionamento della strumentazione elettronica di base;
Saranno inoltre in grado di fare le seguenti cose:
• utilizzare la strumentazione di base in modo corretto;
• progettare, condurre e analizzare esperimenti di laboratorio;
• riportare in modo proprio i risultati, con un'avanzata competenza nelle comunicazioni e nell'interazione professionale.
Prerequisiti
Numeri complessi, teoria della probabilità e dei segnali, elettrotecnica, elettronica (in particolare gli amplificatori operazionali)
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si propone di fornire le nozioni di base della moderna metrologia con particolare riferimento alle misure elettroniche.
Il corso tratta i seguenti argomenti:
1) Introduzione di carattere teorico-generale alla metrologia (modello di un sistema di misura, Sistema Internazionale, e campioni) e alla valutazione dell’incertezza di misura.
2) Analisi di alcuni elementi costitutivi di un sistema di misura elettronico: non-idealità di resistori, condensatori e induttori; non-idealità statiche e rumore negli amplificatori operazionali; loro effetto in semplici problemi di misura; caratteristiche metrologiche e architetture di alcuni convertitori analogico-digitali; caratteristiche metrologiche dei convertitori digitali-analogici ed esempio di DAC a rete R-2R.
3) Descrizione e utilizzo di alcuni strumenti elettronici di base: multimetro, oscilloscopio digitale e analisi spettrale a FFT, frequenzimetro e contatore di intervalli di tempo. Vengono descritte le tecniche, le precauzioni per ogni tipo di misura e le configurazioni strumentali necessarie.
Programma esteso
1) Elementi teorici di metrologia: (16 ore)
1.1) Le misure per la descrizione dei fenomeni fisici. L’origine dell’incertezza. Grandezze fisiche, unità e campioni. Il Sistema Internazionale.
1.2) L’espressione dell’incertezza. Modello del processo di misura, errori ed incertezze, propagazione delle incertezze. Valutazione di categoria A, ripetizioni delle misure e numero di gradi di libertà. Valutazioni di categoria B e assegnazione di una probabilità. Misure dirette ed indirette (incertezza composta). Livello di fiducia (incertezza estesa). Compatibilità delle misure.
1.3) Interpolazione ai minimi quadrati di dati sperimentali.
2) Componenti di un sistema di misura elettronico: (12 ore)
2.1) Comportamento non-ideale di resistori, condensatori, induttori.
2.2) Comportamento non-ideale di un op-amp: offset, corrente di polarizzazione. Applicazione a qualche semplice circuito di misura.
2.3) La conversione Analogico-Digitale. L’effetto del campionamento e della quantizzazione sui segnali. Comportamento non ideale dei convertitori reali. Tecniche di dithering. Numero di bit equivalenti.
2.4) Architetture di convertitori A/D:
2.4.1) Convertitori a integrazione (a doppia rampa, multi-rampa, tensione-frequenza);
2.4.2) Convertitori per segnali variabili (flash o parallelo, convertitore con registro ad approssimazioni successive).
2.5) Conversione Digitale-Analogica e alcuni schemi
3) Strumentazione di misura di base: (6 ore)
3.1) Struttura di un multimetro numerale (Misure in DC ed in AC di tensione e di corrente, misure di resistenza).
3.2) Oscilloscopio digitale: struttura, trigger, memoria, campionamento in tempo reale e in tempo equivalente, interpolazione, elaborazione. Specifiche.
3.3) Spettro di un segnale campionato (ripiegamento delle righe, livello del piatto di rumore). Leakage e finestre per la FFT.
3.4) Struttura fisica e funzionamento dell'analizzatore di spettro a supereterodina.
3.5) Misure di intervallo di tempo, periodo e frequenza basate su un contatore elettronico. Contatore convenzionale e reciproco. Tecniche di interpolazione per le misure di intervalli di tempo. Incertezze di misura.
4) Attività di laboratorio:
4.1) realizzazione di una pompa di corrente di Howland e misura della sua resistenza di uscita
4.2) realizzazione e caratterizzazione di un resistore controllato in tensione mediante un moltiplicatore analogico e/o realizzazione e caratterizzazione di un convertitore RMS-to-DC a calcolo implicito
4.3) realizzazione e caratterizzazione di un trigger di Schmitt
4.4) realizzazione e caratterizzazione di un multivibratore astabile
4.5) misure statiche su Op-Amp
4.6) realizzazione e caratterizzazione di un voltmetro V/f a bilanciamento di carica
4.7) laboratorio MATLAB su FFT, piatto di rumore, quantizzazione, ripiegamento delle armoniche, finestratura dei dati
Bibliografia
M. Norgia, R. Ottoboni, A. Pesatori, C. Svelto, Misure: Dai fondamenti alla strumentazione, Società editrice Esculapio, 2022, ISBN 978-88-9385-304-0
Per la parte di metrologia è utile:
J. R. Taylor, Introduzione all'analisi degli errori, II edizione, Zanichelli
oppure, come alternativa,
P. Bevington, D. K. Robinson, Data Reduction and Error Analysis for Physical Sciences, McGraw-Hill; 3rd edition (July 23, 2002)
Metodi didattici
Il corso sarà articolato in lezioni frontali di base finalizzate alla definizione di un quadro teorico generale sulla metrologia e in lezioni, sempre frontali, di carattere applicativo incentrate sulla presentazione e discussione di circuiti e strumenti elettronici di misura.
Inoltre il corso sarà integrato con un certo numero di ore di esercitazioni in laboratorio, in cui si riconsidereranno sperimentalmente alcuni circuiti di misura.
In definitiva il corso è suddiviso in 17 lezioni da 2 ore ciascuna e 7 esperienze di laboratorio. Un elenco dettagliato degli argomenti delle lezioni, del materiale da leggere, delle attività di laboratorio e degli eventuali compiti a casa è disponibile sul sito on-line del corso.
Modalità verifica apprendimento
Si prevede di fare una prova intermedia con alcuni esercizi di metrologia.
Al termine del corso l’esame consiste in una prova scritta solo per chi non ha superato la prova intermedia, e, per tutti, in una prova orale composta da due domande di teoria. Il risultato della prova scritta e quello della prova orale concorrono al 34% e al 66%, rispettivamente, del risultato finale.
Altre informazioni
I materiali didattici sono caricati su Elly a inizio corso, con eventuale aggiornamento/integrazione a fine corso
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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