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A.S.E.2.1 ARCHITETTURA DEI SISTEMI ELETTRONICI LEZIONE N° 2 Segnali analogici, numerici e digitaliSegnali analogici, numerici e digitali Conversione da.

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1 A.S.E.2.1 ARCHITETTURA DEI SISTEMI ELETTRONICI LEZIONE N° 2 Segnali analogici, numerici e digitaliSegnali analogici, numerici e digitali Conversione da segnale analogico a segnale numericoConversione da segnale analogico a segnale numerico Conversione da segnale numerico a segnale analogicoConversione da segnale numerico a segnale analogico CodificaCodifica Classificazione dei Sistemi ElettroniciClassificazione dei Sistemi Elettronici In funzione delle applicazioniIn funzione delle applicazioni In funzione dei tipi di segnali trattatiIn funzione dei tipi di segnali trattati Effetti dei disturbi e rumoreEffetti dei disturbi e rumore

2 A.S.E.2.2 Richiami Richiami di elettrologiaRichiami di elettrologia Legge di OhmLegge di Ohm Leggi di KirchhoffLeggi di Kirchhoff Potenza in un circuito elettricoPotenza in un circuito elettrico Definizione di SISTEMA ELETTRONICODefinizione di SISTEMA ELETTRONICO TrasduttoriTrasduttori AMPLIFICATOREAMPLIFICATORE Equilibrio energetico in un amplificatoreEquilibrio energetico in un amplificatore Breve storia dell’ElettronicaBreve storia dell’Elettronica

3 A.S.E.2.3 Segnale analogico Un segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera continua nel tempoUn segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera continua nel tempo Ampiezza t

4 A.S.E.2.4 Segnale campionato Viene “congelato” il valore che il segnale analogico assume a intervalli regolari di tempoViene “congelato” il valore che il segnale analogico assume a intervalli regolari di tempo Ampiezza t TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC

5 A.S.E.2.5 Segnale numerico 1 Viene assegnato al segnale campionato il valore numerico relativo all’intervallo di appartenenzaViene assegnato al segnale campionato il valore numerico relativo all’intervallo di appartenenza Ampiezza t TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC

6 A.S.E.2.6 Segnale numerico 2 Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico “codificato”Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico “codificato” Ampiezza t TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC TCTC

7 A.S.E.2.7 Segnale Digitale Particolare segnale numerico che può assumere solo due valori “0” e “1”Particolare segnale numerico che può assumere solo due valori “0” e “1” –Al valore “0” si associa, per esempio, 0 V –Al valore “1” si associa, per esempio, 5 V 0 1 TSTS TSTS TSTS TSTS TSTS TSTS TSTS TSTS TSTS TSTS TSTS TSTS

8 A.S.E.2.8 Errore di Quantizzazione Il segnale “Numerico” può assumere solo un numero finito di valoriIl segnale “Numerico” può assumere solo un numero finito di valori –Discretizzazione Il segnale Analogico può variare con continuitàIl segnale Analogico può variare con continuità Il segnale numerico rappresenta il segnale analogico solo in certi istanti, in altri istanti si commette un erroreIl segnale numerico rappresenta il segnale analogico solo in certi istanti, in altri istanti si commette un errore ERRORE DI QUANTIZZAZIONEERRORE DI QUANTIZZAZIONE Conversione di una rampa in una gradinataConversione di una rampa in una gradinata

9 A.S.E.2.9 Caratteristica di trasferimento Grafico della grandezza d’uscita in funzione della grandezza d’ingressoGrafico della grandezza d’uscita in funzione della grandezza d’ingresso Esempio rampa lineareEsempio rampa lineare VIVI VUVU VUVU AMP = 1 VIVI VUVU A / N VIVI VUVU

10 A.S.E.2.10 Grafico dell’Errore di Quantizzazione Errore di QuantizzazioneErrore di Quantizzazione –Differenza, in un determinato istante, fra il valore del segnale analogico e valore del segnale numerico VIVI VUVU VUVU Errore di quantizzazione VIVI

11 A.S.E.2.11 Minimizzazione dell’ERRORE Scegliendo il valore di commutazione in corrispondenza n+0.5 si ha il modulo dell’errore al massimo è pari a 0.5Scegliendo il valore di commutazione in corrispondenza n+0.5 si ha il modulo dell’errore al massimo è pari a Errore di quantizzazione VIVI VUVU VUVU

12 A.S.E.2.12 Codifica Un valore numerico può essere codificato in un numero N di segnali digitaliUn valore numerico può essere codificato in un numero N di segnali digitali Valore Numerico ABC

13 A.S.E.3.13 Convertitori A/D Convertitore A/DConvertitore A/D segnale analogico  segnale digitale codificatosegnale analogico  segnale digitale codificato Convertitore D/AConvertitore D/A segnale digitale codificato  segnale analogicosegnale digitale codificato  segnale analogico A / D 4Vin A C B D / A 4 Vout A C B 1 0 1

14 A.S.E.3.14 Tipi di segnali IngressiIngressi –Natura dei sensori In larga parte forniscono segnali analogiciIn larga parte forniscono segnali analogici –Variazione di tensione, corrente –Variazione di resistenza, capacità, induttanza, …. Segnali digitali di raggiunta posizioniSegnali digitali di raggiunta posizioni UsciteUscite –Natura dell’attuatore Segnali analogiciSegnali analogici –a frequenza variabile –ampiezza variabile Segnali “ON” – “OFF” DigitaliSegnali “ON” – “OFF” Digitali

15 A.S.E.2.15 Tipi di Elaborazione Elaborazioni lineariElaborazioni lineari –Amplificazione –Somma di segnali –Differenza di segnali –Integrazione, derivazione –Filtraggio Elaborazioni non lineari (Numeriche)Elaborazioni non lineari (Numeriche) –Conteggio di impulsi –temporizzazione –Prodotto, divisione, medie pesate … Generazione di segnali sinusoidali, etc.Generazione di segnali sinusoidali, etc.

16 A.S.E.2.16 Classificazione in funzione delle Applicazioni Sistemi Elettronici per l’AutomobileSistemi Elettronici per l’Automobile Sistemi Elettronici per le TelecomunicazioniSistemi Elettronici per le Telecomunicazioni Sistemi Elettronici per il ConsumerSistemi Elettronici per il Consumer Sistemi Elettronici per i processi IndustrialiSistemi Elettronici per i processi Industriali Sistemi Elettronici per l’automazioneSistemi Elettronici per l’automazione Sistemi Elettronici per la MedicinaSistemi Elettronici per la Medicina Sistemi Elettronici per l’Elaborazione dati (Office)Sistemi Elettronici per l’Elaborazione dati (Office)

17 A.S.E.2.17 Classificazione in funzione del tipo di ELABORAZIONE Sistemi Elettronici ANALOGICISistemi Elettronici ANALOGICI –Amplificazione –Interfaccia d’ingresso e d’uscita scopo: processare e trasferire l’informazione fornita da un ingresso analogico con la minima DISTORSIONEscopo: processare e trasferire l’informazione fornita da un ingresso analogico con la minima DISTORSIONE Sistemi Elettronici DIGITALISistemi Elettronici DIGITALI –Utilizza i dispositivi elettronici come interruttori –I segnali d’ingresso e d’uscita sono impulsivi Scopo: processare e trasferire l’informazione fornita da un ingresso digitale con il minimo errore e la massima velocitàScopo: processare e trasferire l’informazione fornita da un ingresso digitale con il minimo errore e la massima velocità Sistemi Elettronici di POTENZASistemi Elettronici di POTENZA –Controllo e conversione dell’energia elettrica

18 A.S.E.2.18 Tipi di segnali Il modo di realizzare un sistema elettronico dipende dalle frequenze proprie dei segnaliIl modo di realizzare un sistema elettronico dipende dalle frequenze proprie dei segnali –Sistemi per bassa frequenza –Sistemi per radio frequenze –Sistemi per onde millimetriche

19 A.S.E.2.19 Frequenze tipiche di alcuni segnali Segnali sismici1 ÷ 200 HzSegnali sismici1 ÷ 200 Hz Elettrocardiogramma0.05 ÷ 100 HzElettrocardiogramma0.05 ÷ 100 Hz Segnali audio20 Hz ÷ 15 kHzSegnali audio20 Hz ÷ 15 kHz Segnali video 50 Hz ÷ 4,2 MHzSegnali video 50 Hz ÷ 4,2 MHz Segnali radio AM 540 ÷ 1600 kHzSegnali radio AM 540 ÷ 1600 kHz Segnali radio FM 88 ÷ 106 MHzSegnali radio FM 88 ÷ 106 MHz Video VHF 54 ÷ 60 MHzVideo VHF 54 ÷ 60 MHz Video UHF 470 ÷ 806 MHzVideo UHF 470 ÷ 806 MHz Telefonia cellulare ÷ MHzTelefonia cellulare ÷ MHz Video satellitare 3.7 ÷ 4.2 GHzVideo satellitare 3.7 ÷ 4.2 GHz Comunicazioni a microonde1 ÷ 50 GHzComunicazioni a microonde1 ÷ 50 GHz

20 A.S.E.2.20 Rumore nei Sistemi Analogici DEFINIZIONEDEFINIZIONE Segnale estraneo dovuto a:Segnale estraneo dovuto a: –Agitazione termica degli elettroni in resistenze –Accoppiamento induttivo o capacitivo con segnali di altri sistemi Il rumore si somma direttamente al segnale analogico e quindi lo deterioraIl rumore si somma direttamente al segnale analogico e quindi lo deteriora Il rumore viene amplificato insieme al segnaleIl rumore viene amplificato insieme al segnale v t

21 A.S.E.2.21 Rumore nei Sistemi Digitali Il rumore si somma direttamente al segnale digitale e quindi lo deterioraIl rumore si somma direttamente al segnale digitale e quindi lo deteriora È possibile ricostruire il segnale definendo gli intervalli entro i quali si attribuisce il valore alto e il valore bassoÈ possibile ricostruire il segnale definendo gli intervalli entro i quali si attribuisce il valore alto e il valore basso 0V > basso > 2 V ; 3 V > alto > 50V > basso > 2 V ; 3 V > alto > 5 v t v t

22 A.S.E.2.22 Sistema Elettronico SENSORESENSOREATTUATOREATTUATORE ELABORATOREELABORATORE ~~~~~~ ~~~~~~ AMP A / D ~~~~~~ ~~~~~~ AMP D / A ELABORATORE DIGITALE Sequenz. (M.S.F.) Sequenz. (M.S.F.) A.U. (R.C.) A.U. (R.C.) MEM (RAM) MEM (RAM) REG. (F - F) REG. (F - F) L.U. (R.C) L.U. (R.C) I / O (M.S.F.) I / O (M.S.F.)

23 A.S.E.2.23 Architettura di un calcolatore

24 Conclusioni Segnali analogici, numerici e digitaliSegnali analogici, numerici e digitali Conversione da segnale analogico a segnale numericoConversione da segnale analogico a segnale numerico Conversione da segnale numerico a segnale analogicoConversione da segnale numerico a segnale analogico CodificaCodifica Classificazione dei Sistemi ElettroniciClassificazione dei Sistemi Elettronici In funzione delle applicazioniIn funzione delle applicazioni In funzione dei tipi di segnali trattatiIn funzione dei tipi di segnali trattati Effetti dei disturbi e rumoreEffetti dei disturbi e rumore A.S.E.2.24


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