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Today Digital Data Acquisition Theory ITALIAN SESSION.

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Presentazione sul tema: "Today Digital Data Acquisition Theory ITALIAN SESSION."— Transcript della presentazione:

1 Today Digital Data Acquisition Theory ITALIAN SESSION

2 I vantaggi principali dei sistemi digitali consistono in: elevata insensibilità ai disturbi elevata insensibilità ai disturbi bassa incertezza con costi relativamente contenuti bassa incertezza con costi relativamente contenuti compatibilità intrinseca coi sistemi di calcolo compatibilità intrinseca coi sistemi di calcolo facilità di manipolazione, trasmissione, registrazione, riproduzione facilità di manipolazione, trasmissione, registrazione, riproduzione Digital Data Acquisition

3 TEORIA DELLA QUANTIZZAZIONE (problemi relativi all asse delle ordinate) Digital Data Acquisition

4 La conversione A/D consta di due fasi: - quantizzazione - codifica Digital Data Acquisition

5 Quantizzazione il dato analogico viene suddiviso in un insieme di stati discreti Digital Data Acquisition

6 Codifica si assegna una parola digitale (stringa di caratteri) ad ogni stato discreto secondo un codice opportuno Digital Data Acquisition

7 stringa di caratteri = N bit codifica binaria = O od 1 insensibilità ai disturbi facilità di: manipolazionetrasmissioneregistrazione Digital Data Acquisition

8 RISOLUZIONE Se ho una stringa di N bit 2 N stati diversi 3 bit 2 3 =8 stati diversi ° stato ° ° ° ° 3 bit 2 3 =8 stati diversi ° stato ° ° ° ° Digital Data Acquisition

9 Con 8 bit 2 8 =256 stati diversi (8 bit = 1 byte) Con 10 bit 2 10 =1024 stati diversi (1 k) Con 12 bit 2 12 =4096 stati diversi Con 16 bit 2 16 =65536 stati diversi Digital Data Acquisition

10 Funzione di trasferimento del quantizzatore non è lineare: uscita = 2 N stati discreti ingresso = grandezza continua Digital Data Acquisition

11 Risoluzione = minima variazione della grandezza di ingresso apprezzabile dal quantizzatore Corrisponde al valore del bit meno significativo e viene detta LSB=least significant bit 1 LSB = FS / 2 N Digital Data Acquisition

12 Quindi la risoluzione migliora al crescere del numero N di bit Es:se FS=10 VN=3 bit LSB=1.25 V se FS=10 VN=8 bit LSB=39 mV se FS=10 VN=12 bit LSB=2.44mV Digital Data Acquisition

13 Esempio di segnale tra 0 e 10 V quantizzato con differente risoluzione Digital Data Acquisition

14 Quindi incertezza minima ± LSB/2 Se segnale G « FS incertezza relativa Se segnale G « FS incertezza relativa Es:FS = 10 V eG=0.9 V se N=8 bit incertezza ±39 mV ± 4.3 % di G Soluzione: amplificare G affinchè sia usata tutta la scala del convertitore A/D Digital Data Acquisition

15 Amplificatore di ingresso: serve ad amplificare i segnali prima della conversione A / D affinchè il valore G MAX FS Si minimizza lincertezza relativa G(t) A/D T A Digital Data Acquisition

16 In definitiva, poichè il valore del LSB, ossia la risoluzione sulla scala delle ordinate è: per migliorare la qualità del segnale campionato vi è la possibilità o di agire sul numero di bit del convertitore, o di agire sul fondo scala del singolo canale acquisito per trovare la migliore soluzione di compromesso tra risoluzione e necessità di non perdere parte del segnale Digital Data Acquisition

17 IL CAMPIONAMENTO DEI SEGNALI (problemi relativi all asse delle ascisse) Digital Data Acquisition

18 Campionamento di un segnale analogico V(t) conversione del segnale in una sequenza di dati digitali (t i,V i ) V (t i, V i ) i=1, N t t V Digital Data Acquisition

19 Pertanto in un segnale campionato sia la grandezza V che il tempo t sono espressi in forma discreta Tra due campioni cè t C = t i - t i-1 Frequenza di campionamento f C = 1 / t C t V t i-1 t i t i+1 Digital Data Acquisition

20 A che frequenza occorre campionare un segnale per rappresentarlo correttamente? t V t V Entrambe OK, ma diverso dettaglio Digital Data Acquisition

21 Ma se la frequenza di campionamento diminuisce si va incontro al problema dell aliasing t V Il segnale campionato non è più riconoscibile e sembra avere una frequenza più bassa del segnale analogico originario Digital Data Acquisition

22 Il problema è legato alla relazione tra frequenza del segnale f S e frequenza di campionamento f C ; se f C < 2 f S l aliasing si manifesta f C > 2 f S f C = 2 f S f C < 2 f S Digital Data Acquisition

23 f C = f S CASO MOLTO PARTICOLARE LO STESSO FATTO PUO ESSERE VISTO NEL DOMINIO DELLE FREQUENZE f reale segnale f apparente segnale fCfCfCfC f C /2 2f C 45° Digital Data Acquisition

24 Teorema di Nyquist-Shannon: se un segnale continuo a banda limitata contiene solo frequenze inferiori ad f Smax allora tale segnale sarà campionato correttamente solo se f C 2 f Smax Digital Data Acquisition

25 Poichè: f C = 1 / t C ed f S = 1 / T S essendo f C 2f S t C T S / 2 quindi occorrono almeno due campioni sul semiperiodo Digital Data Acquisition

26 Laliasing può essere interpretato nel dominio della frequenza come lo spostamento di armoniche dalle alte frequenze verso le basse frequenze Digital Data Acquisition

27 Per evitare l aliasing: - si alza la frequenza di campionamento f C - si inserisce un filtro anti-aliasing a monte dellADC Filtro anti-aliasing: taglia tutte le f S del segnale superiori ad f C / 2 f Filtro ideale Filtro reale f C / 2 Digital Data Acquisition

28 CONFIGURAZIONI DI INGRESSO NEI SISTEMI DI CONVERSIONE A/D Digital Data Acquisition

29 Configurazione minima di input per A / D: T = trasduttore della grandezza fisica G(t) C = modulo di condizionamento - amplificatore - filtro anti-aliasing G(t) A/D T C=A+F Digital Data Acquisition

30 MISURANDO CONDIZIONATORE TRASDUTTORE Segnale elettrico Informazione SCHEDA DI ACQUISIZIONE ADC Dato Numerico PC/altro Digital Data Acquisition Catena di misura

31 Digital Data Acquisition

32 SCHEDA DACQUISIZIONE Frequenza di Campionamento (massima) Numero Canali Input Risoluzione Convertitore ADC Range di Input (minimo e massimo) Es: NI USB kS/s 4 Differential / 8 Single-Ended 14 bit differential / 13 single-ended ±20V, ±10V, ±5V, ±4V, ±2.5V, ±1.25V, ±1V Digital Data Acquisition

33 Frequenza di Campionamento Durata Acquisizione Range di Input Es: 150 Hz 5 s ±4V Digital Data Acquisition

34 Hands on Lab: Simulazione acquisizione e campionamento Analisi spettrale Simulatore DAQ online: Provare a simulare aliasing, leakage, problemi di risoluzione Digital Data Acquisition


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