Strumentazione Elettronica di Misura
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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
