Lo scopo dell'insegnamento 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.

A seguito del superamento dell’esame, lo studente:

-conosce i termini e i principi di base della metrologia (descrittore di Dublino 1);

-conosce l'attuale organizzazione del sistema internazionale di unità di misura (descrittore di Dublino 1);

-è in grado di stimare l'incertezza di misura e la sua propagazione, attraverso tecniche statistiche (descrittore di Dublino 2);

-conosce i principi di funzionamento della principale strumentazione elettronica di misura (descrittore di Dublino 1);

-è in grado di gestire problemi non strettamente inerenti alle problematiche affrontate nel Corso di laurea assumendo decisioni motivate (descrittori di Dublino 2 e 3);

- acquisce le competenze necessarie ad effettuare misure con la moderna strumentazione ed interpretarne correttamente i risultati (descrittori di Dublino 2 e 3). Tali competenze saranno consolidate ulteriormente dalle attività di laboratorio sperimentale proposte nel corso.

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.

Sono richieste conoscenze base di elettrotecnica ed elettronica.

La valutazione dello studente è effettuata in base all'esito della prova d'esame e dei laboratori. La prova d'esame consiste in una verifica scritta con eventuale discussione orale a discrezione del docente o su richiesta dello studente.

La prova scritta consiste in una serie di domande di teoria a risposta multipla, a cui seguono degli esercizi da svolgere.

E' prevista nel corso una prova in itinere, che consiste in un singolo esercizio di stima dell'incertezza di misura. Il risultato di tale prova, se positivo, consentirà di non svolgere la parte di valutazione di incertezza durante gli appelli successivi, mantenendo il risultato conseguito nella prova in itinere. 

Le valutazioni dei laboratori assegnano un massimo di 1 punto. I punteggi ottenuti nelle prove di laboratorio sono addizionali sul voto riportato nella prova d'esame, se già sufficiente.

Sul sito sono disponibili i lucidi del corso, dispense di approfondimento e una raccolta degli ultimi temi d'esame con soluzione