Strumentazione Elettronica di Misura

LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Strumentazione
Elettronica di Misura
Luca Mari, Vittorio Ferrari
A.A. 2002/03
Vittorio Ferrari
Università degli Studi di Brescia
[email protected]
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
1
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Introduzione
Elettronica
n
n
Scienza e tecnologia che riguarda lo
studio e le applicazioni del moto di
cariche (tipicamente elettroni) nei
materiali (non solo metalli).
In elettronica il moto di cariche (corrente
elettrica) è utilizzato per acquisire,
elaborare, memorizzare e trasferire
informazione…
…non energia
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
2
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Informazione e Segnali
n
n
Informazione: in senso generale è identificabile
come “il contenuto di un messaggio” trasferito
da un soggetto ad un altro.
Segnale: l’evoluzione della grandezza fisica che
supporta informazione. Generalmente è una
dipendenza di una grandezza dal tempo o da
un’altra grandezza.
Strumentazione
Elettronica di Misura
n
n
n
Dispositivi, sistemi e apparati che utilizzano
l’elettronica per misurare…
u
grandezze elettriche (per es. tensione o corrente)
u
grandezze non elettriche, mediante opportuni
trasduttori
Misurazione: determinazione sperimentale del
valore di una grandezza.
Misura: risultato numerico di una misurazione.
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
3
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Misurazione e Informazione
n
n
La misurazione è un processo che ha lo scopo
di acquisire e “estrarre” informazione
dall’oggetto o sistema misurato.
Uno strumento di misura è una macchina che
preleva in ingresso informazione dal mondo
fisico, tratta tale informazione e la presenta in
uscita sotto forma di misure.
oggetto
o sistema
misurato
strumento
di misura
utilizzatore
informazione
Elettronica e
Strumentazione di Misura
n
n
n
Elettronica, in quanto tecnologia oggi più
efficiente ed economica per la gestione
dell’informazione…
…e Strumentazione di Misura, in quanto
intrinsecamente dedicata a acquisire e trattare
informazione assicurandone la miglior “qualità”
possibile…
…sono ambiti e discipline strettamente legate
⇒ Strumentazione Elettronica di Misura
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
4
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Sviluppo Storico dell’Elettronica
1837: Morse
inventa il
telegrafo
1946: Primo
calcolatore a
valvole ENIAC
1947:
Shockley,
Brattain e
Bardeen
inventano il
transistor
(Premio Nobel
nel 1956)
1970: INTEL
introduce il primo
microprocessore
1973: Motorola
introduce il
telefono cellulare
1897: Thomson
scopre l’elettrone
Anni ‘80: Avvento
del GPS
1904: Fleming
inventa il diodo a
vuoto (valvola)
1800
1959: Kilby alla
TI realizza il
primo circuito
integrato
Anni ‘90: Avvento
di Internet
1900
2000
anno
Componenti e Sistemi
Elettronici
n
Lo sviluppo ha portato dai circuiti con
componenti singoli (discreti) ai circuiti e
sistemi integrati
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
5
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Circuiti Integrati (IC)
n
Molti componenti integrati nello stesso “chip”
Date
1950
1960
1966
1969
1975
1990
Historical Reference
Components/chip
Discrete components
1-2
SSI - Small-scale Integration
< 102
MSI - Medium-scale integration
102 - 103
LSI - Large-scale integration
103 - 10
VLSI - Very-large-scale integration 104 - 109
ULSI - Ultra-large-scale integration > 109
Legge di Moore
n
Gordon Moore (‘60): “Il numero dei transistori in
un circuito integrato raddoppia ogni 18 mesi”
10
10
10 9
10
8
10
7
10 6
10 5
10
4
10
3
10 2
R.C.Jaeger “Microelectronic Circuit
Design” McGraw-Hill 1996
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
Figure 1.2 - Memory chip density as a function of time based upon first
paper presentation at the IEEE International Solid-State
Circuits Conference (ISSCC)
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
6
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Tecnologie Microelettroniche
Utilizzo di materiali semiconduttori
Progetto assistito dal calcolatore (CAD)
Miniaturizzazione spinta
Produzione automatizzata su grandi volumi
n
n
n
n
I IIA
10 .81 1
5
B
Boro n
13
IIB
30
Zn
G a lli um
11 2.4 0
Cd
20 0.5 9
Hg
Me rc ury
31
6 9.7 2
Ga
Ca d m ium
80
Al
Al umi num
6 5.3 7
Zi nc
48
26. 981 5
49
11 4.8 2
In
IVA
6
1 2.01 115
C
Ca rbo n
14
20 4.3 7
Ti
T ha l liu m
Si
S il ic o n
32
72 .59
Ge
G e rm an iu m
50
I nd iu m
81
28. 086
118 .69
Sn
Ti n
82
207 .19
Pb
Lead
VA
1 4.0 067
7
N
Ni tro g e n
15
3 0.9 738
P
VIA
1 5.9 994
8
O
O x yg e n
16
P ho s ph oru s
33
74. 922
As
A rse n ic
51
121 .75
Sb
A nti mo ny
83
2 08. 980
Bi
Bis mu th
32. 064
S
S ulfu r
34
78 .96
Se
Se l e niu m
52
127 .60
Te
Te l luri um
84
(210 )
Po
Po l o niu m
R.C.Jaeger “Microelectronic Circuit
Design” McGraw-Hill 1996
Un esempio emblematico:
i Microprocessori
n
n
IC programmabili, in grado di compiere milioni di
operazioni al secondo (OPS)
Il “cuore” di un computer in un singolo chip
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
7
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Evoluzione dei Microprocessori
n
Prestazioni ↑
10
Costo ↓
;
7
P6
Number of Transistors
Pentium
10
6
486DX
386SX
10
68040
68030
80286
5
8086
10
4
3
10
1970
8085
6800
8080
4004
1975
1980
R.C.Jaeger “Microelectronic Circuit
Design” McGraw-Hill 1996
1985
1990
1995
2000
Year
Figure 1.3 - Microprocessor complexity versus time
Il Panorama dell’Elettronica
n
I settori:
n
Le tendenze: u Più enfasi su SW che su HW
]
Informatica
Telematica
u Telecomunicazioni
u Intrattenimento (consumer)
u Strumentazione di Misura e Controllo
u Industria (materie prime, prodotti, servizi)
u Ambiente
u Bio-medicale
u ...
u
Programmabilità e componenti smart
u Connettività in rete (field bus, wireless)
u Sistemi con intelligenza embedded
u Sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS)
u ...
u
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
8
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
La Strumentazione
nell’Automazione di Processo
www. intechnoconsulting.com
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
9
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Componenti e
Circuiti
Resistore
n
n
n
Resistore = componente
Resistenza = grandezza elettrica associata
Legge di componente di un resistore ideale
(legge di Ohm):
v( t ) = R ⋅ i( t )
i(t)
R
v(t)
R = resistenza
[R] = Ω = V/A (ohm=volt/ampere)
i( t ) = G ⋅ v( t )
G = conduttanza
[G] = S = A/V (siemens=ampere/volt)
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
10
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Resistore
n
La legge di componente del resistore deriva
dalla legge:
J( t ) = σ ⋅ E ( t ) =
n
n
1
E( t )
ρ
J = densità di corrente (A/m2)
E = campo elettrico (V/m)
ρ = resistività (Ωm, Ωcm)
σ = conducibilità (S/m, S/cm)
ρ e σ sono quantità specifiche del conduttore
R e G dipendono, in aggiunta, dalla geometria
u
per un filo di sezione A e lunghezza d
R = ρ⋅
d
A
G = σ⋅
A
d
Condensatore
n
Condensatore (capacitore) = componente
Capacità = grandezza elettrica associata
n
Legge di componente di un condensatore ideale:
n
i( t ) = C ⋅
i(t)
C
v(t)
dv( t )
dt
C = capacità
[C] = F = As/V (farad=coulomb/volt)
1 t
1 t
v( t ) = ⋅ ∫ i( t' )dt' = v( t 0 ) + ⋅ ∫ i(t' )dt '
C −∞
C t
0
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
11
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Condensatore
n
La legge di componente del condensatore è
una riscrittura dalla relazione:
Q( t ) = C ⋅ v( t)
n
Per un condensatore a facce piane e parallele
di area A e distanza d:
C = ε⋅
n
n
Q = carica
[Q] = C (coulomb=ampere.secondo)
ε = permittività dielettrica del
dielettrico (F/ m)
A
d
ε è una quantità specifica del dielettrico
C dipende, in aggiunta, dalla geometria
Induttore
n
Induttore = componente
Induttanza = grandezza elettrica associata
n
Legge di componente di un induttore ideale:
n
v( t ) = L ⋅
i(t)
L
v(t)
di(t )
dt
L = induttanza
[L] = H = Vs/A (henry=weber/ampere)
1 t
1 t
i( t ) = ⋅ ∫ v(t' )dt' = i( t 0 ) + ⋅ ∫ v( t' )dt'
L −∞
L t
0
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
12
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Induttore
n
La legge di componente dell’induttore è una
riscrittura dalla relazione:
Φ( t ) = L ⋅ i( t )
n
Per un induttore a bobina di n spire con area A
e spessore d:
L = µ⋅n2
n
n
Φ = flusso del campo magnetico
[Φ] = Wb (weber = volt.secondo)
A
d
µ = permittività magnetica del
nucleo (H/m)
µ è una quantità specifica del nucleo
L dipende, in aggiunta, dalla geometria
Collegamenti Serie e Parallelo
n
n
Serie (Σ): stessa corrente
Parallelo (//): stessa tensione
i
1
1
2
2
v
Σ
//
R
R1+R2
R1R2 /(R1+R2)
C
C1C2 /(C1+C2)
C1+C2
L
L1 +L 2
L1 L2 /(L1 +L 2)
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
13
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Generatore Ideale di Tensione
n
Genera una tensione indipendente dalla corrente,
ossia indipendente dalla resistenza di carico RL
v
i
vs
vs
RL
v
i
Un generatore di tensione nulla è un cortocircuito
n
v
i
v
vs = 0
i
Generatore Ideale di Corrente
n
Genera una corrente indipendente dalla tensione,
ossia indipendente dalla resistenza di carico RL
v
i
is
RL
v
i
is
n
Un generatore di corrente nulla è un circuito aperto
v
i
v
i s= 0
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
i
14
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Legge di Kirchhoff delle
Correnti (KCL)
n
La somma algebrica delle correnti entranti
in un nodo è pari a zero
i1
∑
i4
i2
i =0
n n
i3
Legge di Kirchhoff delle
Tensioni (KVL)
n
La somma algebrica delle tensioni attorno
a una maglia è pari a zero
v1
v4
v2
∑
n
vn = 0
v3
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
15
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Partitori di Tensione e di Corrente
n
Partitore di tensione:
R1
vs
R2
n
vs

i
=

 R1 + R2
v = i ⋅ R
 O
2
i
vo
R2
R1 + R 2
Partitore di corrente:
io
is
vO = vs
R1
R2
v
R1 ⋅ R 2

v
=
i
s

R1 + R 2


R1
i O = v
i O = is

R2
R1 + R 2
Generatore Reale di Tensione
n
Include una resistenza equivalente RS in serie
detta resistenza interna o di sorgente
RS
v
i
vs
vs
RL v
v = vs
v = v s - i. RS
i
R S → 0 gen.ideale
RL

v = vs
v → v s per oppure
RS + R L
R → ∞ circuito aperto
 L
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
16
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Generatore Reale di Corrente
n
Include una resistenza equivalente RS in parallelo
detta resistenza interna o di sorgente
i = i sv
i
is
RL
RS
v
RS
i = is
v
i
is
RS
i = is
RS + RL
R S → ∞ gen.ideale

i → is per oppure
R → 0 cortocircu ito
 L
Rappresentazione di Thevenin
1
generico
circuito
lineare
? è equivalente a
Req
1
veq
2
n
2
veq e Req sono determinati nel modo seguente:
v eq = tensione v 12 di circuito aperto (a vuoto)
R eq = resistenza equivalent e tra 1 e 2
con i generatori spenti
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
17
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Rappresentazione di Norton
1
generico
circuito
lineare
? è equivalente a
1
Req
i eq
2
2
n
ieq e Req sono determinati nel modo seguente:
i eq = corrente i 12 di cortocircu ito
R eq = resistenza equivalent e tra 1 e 2
con i generatori spenti
Generatore di V o di I ?
n
Quando una sorgente può essere considerata un
generatore di Tensione e quando di Corrente?
RS
io
vs
Norton
R L vo
Thevenin
io
i s=
vs
RS
RS
RL
vo
RL
R SR L

 vo = v s R + R = i s R + R

S
L
S
L

RS
1
i = i
= vs
 o s RS + R L
RS + RL
R S << R L
R S >> R L
v o ≅ vs

⇒
vs
i o ≅ R

L
Tensione
v o ≅ i s R L
⇒
i o ≅ i s
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
Corrente
18
LIUC - Castellanza
febbraio 2003
Generatore di Tensione
comandato in Tensione
RS
Ro
vs
Ri
n
vi
.
AV v i
R L vo
AV numero puro; [AV] = V/V
vo = vs ⋅
Ri
RL
⋅ AV ⋅
R s + Ri
R o + RL
Linearità e PSE
n
n
I componenti R, C, L, generatori (indipendenti e
comandati) combinati in reti rette da KCL e KVL
danno luogo a circuiti lineari
Principio di Sovrapposizione degli Effetti (PSE):
x(t)
u
circuito
lineare
1) Somma:
y1+ 2 ( t ) = F[x 1 ( t ) + x 2 ( t ) ] =
= F[x 1 ( t )] + F[x 2 ( t )]
u
y(t)=F[x(t)]
2) Prodotto per una costante:
y K ( t ) = F[K ⋅ x( t ) ] = K ⋅ F[x( t )] = K ⋅ y( t )
= y1 ( t ) + y 2 ( t )
Strumentazione Elettronica di Misura- L. Mari, V. Ferrari
19