Sistemi Elettronici Programmabili DOCENTE: Ing. Sergio Saponara Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione Telefono: 050-2217602 E-mail: s.saponara@iet.unipi.it Ricevimento (sempre, previo appuntamento via e-mail o telefono), Materiale didattico: http://vlsi.iet.unipi.it/~sapo/

Sistemi Elettronici per il Controllo Schema a blocchi sistema elettronico Esempi sistema elettronico di controllo Richiami su segnali analogici e digitali e conversione A/D e D/A Classificazione dei sistemi elettronici

Sistemi elettronici nella vita quotidiana Apparecchi telefonici Apparecchi radio Televisione Sistemi audio e video Personal computer Sistemi di controllo industriale Sistemi di sicurezza su autovetture (e.g. ABS) Sistemi di iniezione e di accensione Domotica ………………………………….

Esempi di Sistemi Elettronici Esempio 1: Ricevitore radio Esempio 2 :Amplificatore audio Antenna Altoparlante Sistema di elaborazione Microfono Altoparlante Sistema di elaborazione

Sistema Elettronico ~ ~ ELABORATORE SENSORE ATTUATORE ELABORATORE DIGITALE AMP ~ A / D D / A ~ AMP Sequenz. (M.S.F.) A.U. (R.C.) MEM (RAM) REG. (F - F) L.U. (R.C) I / O

Blocchi Fondamentali Sensore/trasduttore Trasforma la grandezza fisica che si vuole acquisire in un segnale elettrico (tensione, corrente, variazione di resistenza, capacità, induttanza, etc.) Attuatore Trasforma un segnale elettrico in una grandezza fisica di interesse (movimento, forza, luce, etc.) Sistema di elaborazione esegue operazioni lineari e/o non lineari sul segnale d’ingresso per fornire in uscita il segnale di pilotaggio dell’attuatore

Grandezze elettriche I DE Corrente elettrica Quantità di cariche elettriche (elettroni) che attraversano una sezione nell’unità di tempo (analogia idraulica) Tensione elettrica Energia (potenziale) che causa il passaggio di corrente I DE

Elementi circuitali [GENERATORI] Generatore di tensione Generatori di corrente VDC VM 5V IDC I2 2A

Elementi circuitali [Elementi Passivi] Resistenza Induttanza Capacità + [Legge di Ohm] IR VR R - + IL VL L - + VC C IC -

Esempi di Attuatori Riscaldatori resistivi per produrre calore Diodi emettitori di luce, variatori di luce per controllare la luminosità Solenoidi per produrre forze Motori elettrici per produrre spostamenti Altoparlanti e trasduttori ultrasonici per produrre suoni

Esempi di Sensori Termistori e temocoppie misura di temperatura Foto diodi e foto transistori misura di luce Materiali piezoelettrici e strain gauges misura di forza Potenziometri, sensori induttivi …. misura di lunghezza Generatori tachimetrici, accelerometri, … misura di velocità e accelerazione Microfoni

Blocchi Base Sistema Elettronico AMP = Amplificatore Filtro = Elimina le frequenze inutili (filtro anti aliasing – passa basso) A/D = Convertitore Analogico/Digitale El. Dig. = Elaboratore “Numerico” (opera su grandezze numeriche e logiche) D/A = Convertitore Digitale/Analogico Filtro = Interpolatore (passa basso)

Sistema Elettronico di Controllo: Schema generale

Sistema Elettronico di Controllo: Esempio Engine Control Unit

Sistema Elettronico di Controllo: Esempio Intelligent Mirror in Car

Il mondo esterno è caratterizzato da variabili analogiche Un segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera continua nel tempo Ampiezza (e.g. Volt) 6 5 4 3 2 1 t

Segnale campionato 1 Viene “associato” il valore che il segnale analogico assume nell’istante di campionamento Ampiezza 6 5 4 3 2 1 TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC t

Segnale campionato 2 Viene “congelato” il valore che il segnale analogico assume a intervalli regolari di tempo (Sample & Hold) Ampiezza 6 5 4 3 2 1 TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC t

Segnale numerico 1 Viene assegnato al segnale campionato il valore numerico relativo all’intervallo di appartenenza Ampiezza 6 5 4 3 2 1 TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC t

Segnale numerico 2 Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico “codificato” Ampiezza 6 5 4 3 2 1 2 4 5 4 2 1 2 4 6 5 TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC t

Codifica Binaria Un valore numerico può essere codificato in un numero N di segnali digitali, i bit (e.g. N=3 in tabella) Numero A MSB B C LSB 1 2 3 4 5 6 7

Segnale Digitale Particolare segnale numerico che può assumere solo due valori “0” e “1” Al valore “0” si associa, per esempio, la grandezza elettrica 0 V Al valore “1” si associa, per esempio, la grandezza elettrica 5 V 1 1 1 1 1 1 1 1 TS TS TS TS TS TS TS TS TS TS TS TS

Errore di Quantizzazione Il segnale “Numerico” può assumere solo un numero finito di valori Discretizzazione Il segnale Analogico può variare con continuità Il segnale numerico rappresenta il segnale analogico solo in certi istanti, in altri istanti si commette un errore

Caratteristica di trasferimento Grafico della grandezza d’uscita in funzione della grandezza d’ingresso Esempio rampa lineare con intervallo quantizzazione Δ= 1 Volt VU VU 5 AMP = 1 4 VI VU 3 A / N 2 VI VU 1 VI 1 2 3 4 5

Grafico dell’Errore di Quantizzazione Differenza, in un determinato istante, fra il valore del segnale analogico e valore del segnale numerico Errore di quantizzazione VU VU 5 1 4 3 2 1 1 2 3 4 5 VI VI 1 2 3 4 5

Minimizzazione dell’ERRORE Scegliendo il valore di commutazione in corrispondenza n+0.5 si ha il modulo dell’errore al massimo è pari a Δ/2 VU VU Errore di quantizzazione 5 4 0.5 3 2 1 2 3 4 5 -0.5 1 VI 1 2 3 4 5

Riepilogo Segnale analogico Un segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera continua nel tempo Segnale campionato Viene “congelato” il valore che il segnale analogico assume a intervalli regolari di tempo (Sample & Hold – S&H) Segnale numerico 1 Viene assegnato al segnale campionato il valore numerico relativo all’intervallo di appartenenza Segnale numerico 2 Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico “codificato” Segnale Digitale 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

Rumore nei Sistemi Analogici DEFINIZIONE 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 deteriora Il rumore viene amplificato insieme al segnale v t

Rumore nei Sistemi Digitali Il 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 basso 0V > basso > 2 V ; 3 V > alto > 5 v t v t