Prima Lezione

CDL in Tecniche Ortopediche Misure Elettriche ed Elettroniche Anno Accademico 2009/2010 Docente Michele Casella Numero di Crediti 1 SSD ING-INF/07 M. Casella, a.a. 2009/2010

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Michele Casella ([email protected]) Laurea in Fisica della Materia Dottorato in Ingegneria Biomedica

Ricercatore presso IRCCS S. M. Nascente – Fondazione Don Carlo Gnocchi nell’ambito della Biofisica e Nanomedicina (nanotecnologie applicate alla medicina) ™ Elettrodi microstrutturati per misure elettrofisiologiche (EEG, ECG) ™ Somministrazione transdermica di farmaci per malattie croniche ™ Biofotonica (applicazioni della luce in ambito medico)

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il nostro corso sarà “Misure Elettriche

ed Elettroniche”

¾ numero crediti corso: 1 (Tot. ore 10) ¾ corso “spalmato” su 5 lezioni ¾ lingua d’insegnamento: italiano

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Misure Elettriche ed Elettroniche Programma del corso (Struttura: lezioni in aula)

1 lezione) Introduzione generale al corso. Segnali elettrici: importanza e utilità.

Conversione analogico-digitale 2 lezione) I sensori: importanza, caratteristiche e utilità. Sensori di

Temperatura: la termocoppia. Sensori di Forza: estensimetro. Sensore di Posizione: potenziometro 3 lezione) Concetto di corrente e tensione elettrica 4 lezione) Concetto di resistenza, capacità e induttanza elettrica 5 lezione) Concetto di misura e rappresentazione delle misura. Concetto di

incertezza

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Misure Elettriche ed Elettroniche Obiettivo del corso

• Fornire la preparazione necessaria a capire correttamente la misura delle più importanti grandezze elettriche

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Misure Elettriche ed Elettroniche Materiale didattico

¾ Dispense

prediposte

dal

docente

(lezioni ppt del corso) ¾ Possibilità di chiarimenti sia in aula sia via e-mail ([email protected]) M. Casella, a.a. 2009/2010

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Suggerimento utile per sostenere l’esame con il minimo sforzo ¾ seguire le lezioni con attenzione (nell’ultima lezione verrà proposto un tema d’esame) ¾ fare domande dove non si capisce M. Casella, a.a. 2009/2010

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I lezione – 9 Segnali elettrici: importanza e

utilità

9 Conversione analogico-digitale

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Segnali elettrici: importanza e utilità

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Importanza e Utilità il funzionamento:

Æ

basilari per

¾ fisico, biologico, fisiologico e chimico dei sistemi ¾ l’utilizzo (da parte di persone) finalizzato a un’azione M. Casella, a.a. 2009/2010

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¾ Funzionamento fisico, biologico, fisiologico e chimico di sistemi CPU

sinapsi chimica

recettori cellula fotomoltiplicatore

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¾ Funzionamento fisico, biologico, fisiologico e chimico di sistemi...e.g. Elettroencefalografia – segnale elettrico proveniente dall’attività neuronale...

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¾ Funzionamento fisico, biologico, fisiologico e chimico di sistemi...(e.g.) Elettrocardiografia – segnale elettrico proveniente dall’attività cardiaca...

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¾ l’utilizzo (da parte di persone) finalizzato a compiere un’azione

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Cos’è un segnale elettrico ? In

elettrotecnica,

radiotecnica

e

e

specialmente

nell’elettronica,

un

in

segnale

elettrico è una variazione di corrente o di tensione all’interno di un conduttore o in un punto di un circuito

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Qual è la caratteristica fondamentale di un segnale elettrico ? Caratteristica fondamentale di un segnale elettrico è la possibilità di veicolare un’informazione...

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esempio:

...se all’interno di un circuito elettrico scorre sempre una corrente (I) costante di 1 mA, la prima volta che andremo a misurare questa corrente riceveremo l’informazione che il valore della corrente è appunto di 1 mA M. Casella, a.a. 2009/2010

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mA

mA

...se però la corrente (I) che scorre nel circuito viene fatta variare, ad esempio, da una persona che si trova nella stanza accanto (bordo rosso) non potremo mai sapere a priori quale sarà il valore della corrente ad ogni successiva misurazione; ognuna di esse (ogni nuova misurazione) ci fornirà ogni volta una nuova informazione sul livello di corrente nel circuito

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mA

mA

N/B Se la persona che varia la corrente nel circuito lo fa seguendo certe regole di cui siamo a conoscenza, sarà possibile per quella persona comunicare a noi informazioni utili

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ESEMPIO ‰ la persona potrebbe utilizzare il codice binario, ossia far passare o meno la corrente nel filo, secondo un piano prestabilito: potrebbe cioè far passare la corrente per un secondo, poi non farla passare per un altro secondo, poi non farla passare per un altro secondo, poi farla passare per un secondo, e così via. ‰ Se questa persona identifica con “1” un periodo di tempo di un secondo in cui la corrente passa, e con “0” un secondo in cui la corrente invece non passa, e decide che un carattere alfabetico è identificato da una sequenza di 8 secondi di accensione/spegnimento (passa/non passa) della

fonte

di

corrente,

potrà

descrivere

questa

sequenza

di

“accensione/spegnimento” con una sequenza di “1” e “0”, ad esempio 1001011

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La persona potrebbe poi, sempre per esempio, decidere che alla sequenza 1001011 corrisponde la lettera “K”, alla sequenza 1000001 la lettera “A” e così via (vedi, p.es., la tabella ASCII). N/B se questa persona ci ha precedentemente informato di queste sue decisioni sul significato da attribuire al passaggio/non passaggio di corrente, noi saremo in grado di ricevere da essa informazioni tramite i segnali elettrici da essa fatti passare nel circuito Ci basterà misurare continuamente la corrente che scorre nel circuito, confrontarla con le tabelle e le convenzioni che la persona ci ha precedentemente

comunicato,

e

potremo

facilmente

ricostruire

l’informazione originaria posseduta dalla persona nell’altra stanza

Abbiamo utilizzato un segnale elettrico per far passare M. Casella, a.a. 2009/2010 informazioni da un luogo ad un altro

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Il segnale fin qui descritto è un segnale digitale, ma esistono anche segnali di tipo analogico.

Classificazione dei segnali (I): ‰ segnale a tempo continuo: l’asse dei tempi può assumere un qualsiasi valore reale ‰ segnale a tempo discreto: l’asse dei tempi assume solo valori discreti, ad esempio 1, 2, 3... M. Casella, a.a. 2009/2010

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Classificazione dei segnali (II): ‰ segnale ad ampiezza continua: valori assunti dell’ampiezza

del

segnale

sono

numeri

reali

appartenenti a un intervallo (possono assumere gli infiniti valori presenti tra un minimo ed un massimo) ‰ segnale ad ampiezza quantizzata: valori assunti dall’ampiezza del segnale sono numeri naturali (con segno) e appartengono a un numero finito di valori M. Casella, a.a. 2009/2010

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Classificazione dei segnali (III): ‰ segnale bipolare o bidirezionale: assume nel tempo sia valori di tensione negativi che valori positivi ‰ segnale unipolare o monodirezionale: assume nel tempo solo valori di tensione negativi o positivi

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Da queste definizioni si ricavano: ¾ segnale analogico: segnale a tempo continuo e ad ampiezza continua

¾ segnale digitale o numerico: segnale a tempo discreto e ad ampiezza quantizzata M. Casella, a.a. 2009/2010

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Esempio – Trasmissione digitale ed analogica ™ Nelle reti locali, la comunicazione tra due computer passa di solito su cavi dedicati, installati esplicitamente per la rete, e adatti per la trasmissione digitale delle informazioni ™ Semplificando un po’ su questi cavi si ha una

variazione del livello di tensione fra due valori, che corrisponde alla trasmissione di bit di valore 0 oppure 1 M. Casella, a.a. 2009/2010

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Esempio – Trasmissione digitale ed analogica Per le comunicazioni su lunga distanza, si cerca di sfruttare le reti di comunicazione esistenti, come ad esempio la rete telefonica

La rete telefonica è adatta a comunicare la voce, cioè un segnale analogico che varia in maniera continua in una banda di frequenze Sono necessari dei dispositivi per poter usare la rete telefonica come mezzo di comunicazione tra computer M. Casella, a.a. 2009/2010

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Esempio – Trasmissione digitale ed analogica Modulazione

COMPUTER

Segnale digitale

MODEM Segnale analogico (linea telefonica)

COMPUTER

Segnale digitale M. Casella, a.a. 2009/2010

MODEM DEModulazione 28

DEFINIZIONE Segnale analogico è la rappresentazione o trasformazione di una grandezza fisica tramite una sua analoga M. Casella, a.a. 2009/2010

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N/B il segnale è detto analogico quando i valori utili che lo rappresentano sono continui (infiniti) M.Casella, a.a 2009/2010M. Casella, a.a. 2009/2010

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DEFINIZIONE Segnale digitale Æ conducono a un significato per una convenzione arbitraria. Tutto ciò che viene rappresentato con i numeri o che opera manipolando numeri. N/B veicolano informazioni M. Casella, a.a. 2009/2010

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UN DETERMINATO INSIEME DI INFORMAZIONI VIENE RAPPRESENTATO IN FORMA DIGITALE COME SEQUENZA DI NUMERI PRESI DA UN INSIEME DI VALORI DISCRETI

TRASMISSIONE WI FI M. Casella, a.a. 2009/2010

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...RIEPILOGANDO...

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....Un pò di definizioni e terminologia (I).... SEGNALE: variazione temporale di una grandeza fisica

es:

variazione della pressione dell’aria (segnale acustico) semaforo che pasa dal rosso al verde (segnale luminoso) variazione dell’attività di un enzima (segnale chimico)

SEGNALE ELETTRICO: variazione nel tempo della d.d.p. tra due terminali elettrici (tra due fili o punti di un circuito)

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definizioni e terminologia (II).... L’onda sinusoidale

equazione: V(t)=V0cos(ωt+ϕ)

sinusoide completamente definita dalla terna (V0, ω, ϕ)

definizioni e terminologia (III).... Sia V(t) la funzione che descrive l’andamento della tensione nel tempo

SEGNALE PERIODICO: la forma di base di V(t), che dura un tempo definito

T (periodo), si ripete sempre uguale

nel

tempo

(es.

sinusoide, onda quadra,..)

V(t)=V(t+T)

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definizioni e terminologia (IV).... Sia V(t) la funzione che descrive l’andamento della tensione nel tempo

SEGNALE IMPULSIVO:

V(t) è diverso da 0 solo in uno

stretto

intervallo

temporale (es. impulso di un rivelatore

di

particelle,

impulso rettangolare...)

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definizioni e terminologia (V).... Sia V(t) la funzione che descrive l’andamento della tensione nel tempo

SEGNALE elettrico analogico:

V(t) è continua e può assumere tutti i valori compresi tra un minimo e un massimo SEGNALE elettrico digitale: successione di livelli alto (1) e basso (0) che riproduce i bit di un numero binario M. Casella, a.a. 2009/2010

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...per riepilogare: SEGNALE ANALOGICO

È un segnale continuo nel tempo che può assumere tutti gli infiniti valori della grandezza fisica osservabile, osservabile (sia essa una tensione, una corrente, una temperatura o altro...) contenuti all'interno di un determinato range, ovvero tra un minimo relativo ed un massimo relativo.

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...per riepilogare: SEGNALE DIGITALE

È un segnale che all'interno di un determinato range può assumere solo un numero discreto (numerabile) di valori; valori ad esempio un'onda quadra che assume i valori logici ALTO (HIGH, 1 logico) e BASSO (LOW, 0 logico). M. Casella, a.a. 2009/2010

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Conversione analogico/digitale

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La

conversione

ANALOGICO/DIGITALE

è

un

procedimento che associa ad un segnale analogico (tempo continuo e continuo nei valori) un segnale

numerico (tempo discreto e discreto nei valori)

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‰ Procedimento OGGI effettuato esclusivamente tramite circuiti integrati dedicati ‰ Nonostante

la

teoria

fosse

pronta

da

molto

tempo,

la

RIVOLUZIONE DIGITALE che ha modificato in qualche misura il modo di vivere delle persone, consentendo una vera e propria “TECNOLOGIZZAZIONE” di massa, inizia nei primi anni ottanta ‰ Si

trattava

sostanzialmente

di

risolvere

due

problemi

di

carattere prettamente tecnologico Æ (I) aumentare la velocità di elaborazione

dei

circuiti

e

(II)

diminuirne

l’ingombro

(i.e.

miniaturizzazione). Tutto si è risolto con l’integrazione sempre più spinta dei circuiti, permessa anche dal miglioramento delle prestazioni dei TRANSISTORI MOSFET

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l’idea che sta alla base della digitalizzazione è la seguente: Qualsiasi GRANDEZZA FISICA di interesse (tensione, corrente, pressione, velocità...) viene misurata e IL VALORE DELLA SUA MISURA VIENE

CODIFICATO COME NUMERO BINARIO Se la grandezza assume diversi valori nel tempo, essa sarà misurata a intervalli regolari, dando luogo a una SEQUENZA DI NUMERI

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La conversione ANALOGICO/DIGITALE si può suddividere in quattro parti principali (1) filtraggio del segnale (2) campionamento del segnale (3) quantizzazione dei campioni (4) codifica dei campioni quantizzati

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[N/B] Campionamento e quantizzazione ¾ La digitalizzazione di un segnale analogico coinvolge due processi

di

discretizzazione:

un

processo

di

discretizzazione nel dominio del tempo (campionamento) e un

processo

di

discretizzazione

in

ampiezza

(quantizzazione) ¾ il campionamento consiste nel convertire una grandezza

variabile nel tempo in modo continuo

Æ

in una discreta

che rappresenti la prima in modo univoco M. Casella, a.a. 2009/2010

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ƒ Un segnale analogico che varia in funzione del

tempo viene moltiplicato per un segnale di tipo impulsivo di ampiezza costante (ad esempio, unitaria) che si ripete con frequenza preordinata e

pure

costante,

detta

frequenza

di

campionamento ƒ Il

periodo

TS

corrispondente

alla

citata

frequenza è detto intervallo di campionamento (intervallo tra due impulsi) M. Casella, a.a. 2009/2010

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Il risultato che si ottiene dal prodotto è rappresentato ovviamente da una serie di impulsi modulati in ampiezza che rappresentano in una certa misura il segnale analogico assegnato

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...Riassumendo: schema a blocchi del convertitore Analogico/Digitale

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Riepilogo: CAMPIONAMENTO & QUANTIZZAZIONE Per rappresentare in forma numerica il segnale tempocontinuo x(t) si esegue anzitutto il campionamento di

x(t) a intervalli T

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Ciascun campione x[n]=x(nT) è un numero reale che può assumere con continuità qualsiasi valore compreso in un certo intervallo di ampiezze [Vmin,Vmax] Per rappresentare il segnale in forma numerica si approssima il numero reale continuo x[n] con un numero finito (M) di livelli compresi nell’intervallo di ampiezze (serie di punti discreti) Æ QUANTIZZAZIONE!!

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Il quantizzatore è dunque un sistema non lineare che il valore più vicino a x[n] fra gli M possibili livelli di quantizzazione

V1,....,VM;

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Codifica Binaria dei campioni quantizzati ™ L’ultimo processo è la codifica, che ad ogni campione quantizzato fa corrispondere un numero binario, cioè una sequenza di bit. ™ Una volta definiti i livelli di quantizzazione mediante i quali approssimare i campioni del segnale, ad ognuno di essi viene fatto corrispondere un diverso numero binario. ™ Nei consiste

convertitori

ANALOGICO-DIGITALI

nell'associare

ad

un

livello

di

la

codifica

tensione

determinato numero binario. M. Casella, a.a. 2009/2010

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un