Obiettivi formativi
Alla fine del corso, gli studenti saranno in grado di conoscere e comprendere:
• come trattare i dati di misura, interpolare 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
Fondamentali sono gli elementi di base di Elettronica (in particolare sul funzionamento degli amplificatori operazionali) e di
Teoria dei segnali, senza i quali non è possibile seguire con frutto il corso.
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, analizzatore di spettro, frequenzimetro e contatore di intervalli di tempo.
Programma esteso
1) Elementi teorici di metrologia: (14 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 degli errori e 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. Rigetto dei dati.
2) Componenti di un sistema di misura elettronico: (14 ore)
2.1) Comportamento non-ideale di resistori, condensatori, induttori.
2.2) Comportamento non-ideale di un op-amp: offset, corrente di polarizzazione, rumore (generatori equivalenti). 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).
3) Strumentazione di misura di base: (10 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 e caratterizzazione di un trigger di Schmitt e di un multivibratore astabile
4.2) realizzazione e caratterizzazione di un convertitore RMS-to-DC a calcolo implicito
4.3) realizzazione e caratterizzazione di un voltmetro V/f a bilanciamento di carica
4.4) realizzazione e caratterizzazione di un generatore di funzioni / VCO
4.5) realizzazione e caratterizzazione di un PLL
Bibliografia
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 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 19 lezioni da 2 ore ciascuna e 5 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
Non sono previste prove in itinere.
L’esame consiste in un'unica prova divisa in tre fasi
1 - un esercizio scritto con semplici calcoli, che fungerà da ammissione alle fasi successive,
2 - la descrizione orale di un argomento di teoria,
3 - la verifica delle abilità pratiche nella conduzione e nell'analisi di un esperimento di laboratorio (sarà disponibile la strumentazione necessaria per le esercitazioni svolte in laboratorio).
Altre informazioni
Indirizzo: http://elly.dia.unipr.it/2018/#
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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