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Obiettivi
Lo scopo del corso è di fornire una valida conoscenza sui fondamenti della misurazione (inquadramento storico e istituzionale, Sistema Internazionale di unità di misura, regole operative) e sugli strumenti specifici di analisi utilizzati nelle misure (calcolo dell’incertezza di misura e corrispondente analisi statistica, regressione dei dati sperimentali, elaborazione del segnale di misura).
Si illustreranno principi e modalità di funzionamento dei sistemi di acquisizione dati (DAQ) e della strumentazione digitale di misura. Nel corso delle attività di Laboratorio si insegnerà ad utilizzare le schede DAQ e il software LabVIEW per la realizzazione di strumenti virtuali utili per le misure automatizzate e la rappresentazione dei risultati.
Si offrirà agli studenti una descrizione in dettaglio dei principi di funzionamento e delle prestazioni di strumenti di misura quali voltmetri numerici, oscilloscopi digitali, e analizzatori di spettro.
Programma delle lezioni e delle esercitazioni
La misura e le principali caratteristiche metrologiche. Accuratezza, incertezza, risoluzione, sensibilità, ripetibilità, riferibilità, etc. Il sistema internazionale di unità (SI), regole e simboli del SI, vari tipi di campioni. Definizioni e operazioni su unità logaritmiche (dB, dBm, dBc, Np). Blocchi essenziali di un sistema di misura. Caratteristiche dei segnali (continui e discreti in ampiezza e tempo, periodici, aperiodici) e parametri di interesse (valor medio, efficace, di picco).
Elementi di statistica e incertezza di misura. Significato di valor medio, varianza, varianza del valor medio e numero di gradi di libertà. La miglior stima del risultato di misura e della sua incertezza, attraverso misure ripetute (A) o altri metodi (B). Stima dell’incertezza in misure dirette. Propagazione dell'errore e calcolo dell'incertezza in misure indirette. Indipendenza e correlazione statistiche. Compatibilità fra misure e medie pesate.
La rappresentazione dei risultati sperimentali. Diagrammi cartesiani e polari. Scale lineari e logaritmiche. Interpolazione e regressione dei dati sperimentali.
Strumentazione digitale. Richiami sul campionamento e conversione analogico/digitale (A/D). Voltmetri digitali e multimetri: errore di quantizzazione, risoluzione, numero di bit e numero di cifre in un convertitore A/D. Bit equivalenti. Esempi di voltmetri differenziali (approssimazioni successive e flash). Principio di integrazione e voltmetro integratore a doppia rampa.
Sistemi di acquisizione dati. Schede di acquisizione. Linguaggio di programmazione LabVIEW e strumenti virtuali (VI). Protocolli di comunicazione tra strumenti (RS232, IEEE488, USB).
Strumentazione generale di laboratorio. Oscilloscopio analogico: funzionamento, comandi, blocchi circuitali essenziali, sonde, prestazioni. Oscilloscopio digitale: campionamento in tempo reale e in tempo equivalente; modalità di trigger avanzato; misure automatiche. Esempi di misure con l'oscilloscopio (ampiezza, fase, frequenza, tempo di salita, etc.). Analizzatore di spettro (AS): sistemi analogici per l'analisi simultanea e sequenziale, strumenti digitali con analisi numerica (FFT). Risoluzione in frequenza e sensibilità di un analizzatore di spettro. L'AS ad eterodina: reiezione della frequenza immagine, vincoli tra risoluzione e velocità di scansione dell'asse delle frequenze. Esempi di misura con AS sui segnali modulati e misure di rapporto segnale-rumore.
Attività di laboratorio
L'attività di laboratorio, essenzialmente di tipo sperimentale, ha lo scopo di istruire lo studente nell’uso della moderna strumentazione digitale di misura. In particolare, saranno insegnati i fondamenti di programmazione del linguaggio LabVIEW e quanto appreso sarà direttamente verificato mediante la preparazione di esperimenti di misura basati su schede di acquisizione dati. Si sperimenteranno in concreto le problematiche connesse con il condizionamento e l’elaborazione del segnale di misura.
Ogni studente svolgerà 8 ore di laboratorio suddivise in 2 sessioni di 4 ore. Ai sistemi DAQ e al software LabVIEW saranno dedicate le prime 4 ore di laboratorio e all’impiego degli altri strumenti di misura le rimanenti 4 ore di laboratorio. I dettagli organizzativi relativi alle attività di laboratorio e alle corrispondenti valutazioni saranno presentati a esercitazione comunque resi consultabili alla pagina WEB del Corso.
Prerequisiti
Costituiscono utile propedeuticità agli argomenti del corso le materie di Elettrotecnica, Fondamenti di Elettronica, e Informatica 1.
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Italiano