Data Acquisition System I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica1.

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1 Data Acquisition System I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica1

2  2 ARGOMENTI TRATTATI L’impostazione Sperimentale Evoluzione della strumentazione Metodo tradizionale e metodo on-line per l’acquisizione dati Descrizione della struttura generale di un Data Aquisition System (DAS) per grandezze analogiche e per eventi Data Acquisition System

3  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica3 L’IMPOSTAZIONE SPERIMENTALE 1 OSSERVAZIONE DI UN FENOMENO FISICO 2 DEDUZIONE O IPOTESI DI LEGGE FISICA 3 INDIVIDUAZIONE DELLE MISURE SPERIMENTALI CHE POSSONO CONFERMARE O CONTRADDIRE L’IPOTESI TEORICA FORMULATA * 4 RICERCA DEGLI STRUMENTI PIU’ ADATTI AD EFFETTUARE LE MISURE SPERIMENTALI * 5 ALLESTIMENTO DELL’APPARATO SPERIMENTALE CHE REALIZZA LE MISURE * 6 REALIZZAZIONE DELLE MISURE E RACCOLTA DEI DATI * 7 ELABORAZIONE DEI DATI SPERIMENTALI E VERIFICA CRITICA DELL’IPOTESI TEORICA Fasi di impostazione ed elaborazione comuni ad ogni esperimento in fisica, indipendentemente dalle tecnologie usate: Data Acquisition System (L’impostazione Sperimentale)

4  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica4 Strumenti analogici a lettura discreta (nel tempo) Strumenti a lettura “continua” : registratori XY(stazioni metereologiche, elettrocardiografi) oscilloscopi Strumentazione digitale digitalizzazione strumentazione analogica oscilloscopi digitali data logger (sistemi di acquisizione dati e memorizzazione su nastro o disco magnetico) Strumentazione on-line con computer con inserimento di schede con computer di interfaccia Strumenti digitali collegati con linea seriale RS-232 Strumenti digitali collegati con bus parallelo IEEE488 Strumenti virtuali Data Acquisition System Evoluzione della strumentazione

5  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica5 Data Acquisition System (Metodo tradizionale e metodo on-line) TRASDUTTORI Trasformano una grandezza fisica in un’altra più accessibile all’operatore o alla macchina che deve controllare la grandezza fisica Trasduttori “CONTINUI” Monitorare una grandezza analogica(pressione,..) che varia in modo continuo in ampiezza e con continuità nel tempo Trasduttori On-Off Rilevare eventi aleatoriche possono essere o veri o falsi (2 soli stati): passaggio particelle, interruttori aperti o chiusi….

6  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica6 SCALA GRADUATA TRASDUTTORE “CONTINUO” INPUT FISICO: FORZA, PRESSIONE, TEMPERATURA, ETC a) TRASDUTTORE PER MISURA TRADIZIONALE TRASDUTTORE INPUT FISICO: FORZA, PRESSIONE, TEMPERATURA, ETC OUTPUT ELETTRICO SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI (DAS ) ALIMENTAZIONE ELETTRICA b) TRASDUTTORE PER MISURA ON LINE Data Acquisition System (Metodo tradizionale e metodo on-line )

7  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica7 TRASDUTTORE “CONTINUO” Elaborazione Elettronica del SEGNALE prodotto dal TRASDUTTORE (ES) CONVERTITORE ANALOGICO DIGITALE (A/D) COMPUTER Schema a blocchi di un DAS Data Acquisition System Data Acquisition System (schema generale) Filtri Amplificazione e Offset Circuito di Sample/Hold TRASDUTTORE ON_OFF Adattamento della tensione di uscita del trasduttore per gli stati fisici “on” e “off” allev tensioni corrispondenti a”1” e “0” logico

8  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica8 Data Acquisition System (circuito di condizionamento del segnale) AMPLIFICAZIONE o ATTENUAZIONE e OFFSET Segnale dal trasduttore Dinamica del convertitore A/D 0V 2.5V 0.1V 20V -0.2V +0.1V

9  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica9 SH S H S H S V o = V i ViVi ViVi ViVi VoVo VoVo VoVo V t INPUT OUTPUT S/H INGRESSO DI CONTROLLO SCHEMA ELETTRICO DEL SAMPLE AND HOLD Data Acquisition System (il circuito di Sample and Hold) A/D Tempo di conversione non nullo Tc Tc

10  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica10 SCHEMA DI UN DAS con N trasduttori Data Acquisition System (situazioni con n trasduttori) MUX TRASDUTTORE 1 TRASDUTTORE N MUX ANALOGICO OUT SELETTORI DIGITALI A B C I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 A/DCOMPUTER ES

11  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica11 T1 T2 Tn MUX AMPLIFICAZIONE E OFFSET S/H A/D COMPUTER DAS DA TRASDUTTORI DELLO STESSO TIPO Data Acquisition System (situazioni con n trasduttori)

12  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica12 T1 T2 Tn MUX AMPLIFICAZIONE E OFFSET ADC COMPUTER S/H SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI DA TRASDUTTORI DIVERSI Data Acquisition System (situazioni con n trasduttori)

13  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica13 CONVERSIONE A/D Campionamento: la forma d’onda continua d’ingresso x c (t) viene trasformata nella sequenza x s [n]. Campionatore x c (t) x s [n] Quantizzatore x^[n] Codificatore x^ B [n] Quantizzazione: i valori assunti da x s [n] vengono discretizzati ottenendo così la sequenza x^[n]. Codifica: ai valori assunti da x^[n] viene associato un codice, tipicamente binario; la sequenza x^ B [n] così costruita costituisce il risultato della conversione. Data Acquisition System (le 3 fasi della conversione A/D)

14  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica14 FUNZIONI DEL CAMPIONATORE Conversione dal treno di impulsi alla sequenza discreta x s (t) x c (t) x s [n] = x s (nT) s(t) X campionatore s(t) -2T -T 0 T 2T 3T x s (t) -2T -T 0 T 2T 3T x c (t) -2 -1 0 1 2 3 x s [n] x c (t) Data Acquisition System (il Campionatore)

15  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica15 QUANTIZZAZIONE E CODIFICA DEL SEGNALE Data Acquisition System (il Codificatore) x s [n]X^[n] -2 -1 0 1 2 3 X^ B [n]= 01,10,10,10,11,11 01 B,1 D 10 B,2 D 11 B,3 D X^[n] Codificatore Xs[n] Quantizzatore

16  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica16 TEOREMA DI NYQUIST Condizione necessaria e sufficiente perché il segnale limitato in banda x c (t) sia univocamente determinato dalla sequenza dei suoi campioni x[n] è che la frequenza di campionamento sia almeno il doppio della banda del segnale (Nyquist 1928, Shannon 1949) 1 X c (j  ) -N-N NN  -T  N  s < 2  N X(e jw ) 1/T 0 TNTN ... X(e jw ) 1/T 0 TNTN  s > 2  N -T  N ... Data Acquisition System (Nyquist)

17  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica17 Data Acquisition System (i traduttori on-off) Il trasduttore on-off è un elemento che trasforma una determinata grandezza fisica in una informazione di tipo binario (1-0, si-no, aperto-chiuso) EVENTO TRASDUTTORE ON-OFF “0” se non è accaduto l’evento “1” se è accaduto l’evento

18  I° Modulo(DAS) Corso di Elettronica18 Data Acquisition System trasduttori on-off L’interruttore è un esempio di dispositivo che può svolgere il ruolo di trasduttore on-off (0 VOLT) “0” (5 VOLT) “1” +5V R R