1.1.11 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Sistemi Elettronici ProgrammabiliSistemi Elettronici Programmabili

DOCENTE: Ing. Sergio SaponaraDOCENTE: Ing. Sergio Saponara

Dipartimento di Ingegneria dell’InformazioneDipartimento di Ingegneria dell’Informazione

Telefono:Telefono: 050-2217602050-2217602

E-mail: E-mail: s.saponara@iet.unipi.its.saponara@iet.unipi.it

Ricevimento (sempre, previo appuntamento Ricevimento (sempre, previo appuntamento

via e-mail o telefono), via e-mail o telefono),

Materiale didattico: Materiale didattico:

http://vlsi.iet.unipi.it/~sapo/http://vlsi.iet.unipi.it/~sapo/

1.1.22 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Sistemi Elettronici per il Controllo Sistemi Elettronici per il Controllo

Schema a blocchi sistema elettronico Schema a blocchi sistema elettronico

Esempi sistema elettronico di controllo Esempi sistema elettronico di controllo

Richiami su segnali analogici e digitali e conversione Richiami su segnali analogici e digitali e conversione A/D e D/AA/D e D/A

Classificazione dei sistemi elettroniciClassificazione dei sistemi elettronici

1.1.33 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Sistemi elettronici nella vita Sistemi elettronici nella vita quotidianaquotidiana

– Apparecchi telefoniciApparecchi telefonici– Apparecchi radioApparecchi radio– TelevisioneTelevisione– Sistemi audio e videoSistemi audio e video– Personal computerPersonal computer– Sistemi di controllo industrialeSistemi di controllo industriale– Sistemi di sicurezza su autovetture (e.g. ABS)Sistemi di sicurezza su autovetture (e.g. ABS)– Sistemi di iniezione e di accensioneSistemi di iniezione e di accensione– DomoticaDomotica– ……………………………………………………………………..

1.1.44 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Esempi di Sistemi ElettroniciEsempi di Sistemi Elettronici

Esempio 1: Ricevitore radioEsempio 1: Ricevitore radio

Esempio 2 :Amplificatore audioEsempio 2 :Amplificatore audio

Sistema di elaborazione

Sistema di elaborazione

Antenna

Altoparlante

Sistema di elaborazione

Sistema di elaborazione

MicrofonoAltoparlante

1.1.55 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Sistema ElettronicoSistema Elettronico

SENSORESENSORESENSORESENSORE ATTUATOREATTUATOREATTUATOREATTUATOREELABORATOREELABORATOREELABORATOREELABORATORE

~~~~~~

AMPAMP A / DA / D~~~~~~

AMPAMPD / AD / AELABORATORE DIGITALE

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.)

1.1.66 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Blocchi FondamentaliBlocchi Fondamentali

Sensore/trasduttoreSensore/trasduttore

– Trasforma la grandezza fisica che si vuole acquisire in Trasforma la grandezza fisica che si vuole acquisire in

un segnale elettrico (tensione, corrente, variazione di un segnale elettrico (tensione, corrente, variazione di

resistenza, capacità, induttanza, etc.)resistenza, capacità, induttanza, etc.)

AttuatoreAttuatore

– Trasforma un segnale elettrico in una grandezza fisica Trasforma un segnale elettrico in una grandezza fisica

di interesse (movimento, forza, luce, etc.)di interesse (movimento, forza, luce, etc.)

Sistema di elaborazioneSistema di elaborazione

– esegue operazioni lineari e/o non lineari sul segnale esegue operazioni lineari e/o non lineari sul segnale

d’ingresso per fornire in uscita il segnale di pilotaggio d’ingresso per fornire in uscita il segnale di pilotaggio

dell’attuatoredell’attuatore

1.1.77 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Grandezze elettricheGrandezze elettriche

Corrente elettricaCorrente elettrica

– Quantità di cariche elettriche (elettroni) che Quantità di cariche elettriche (elettroni) che

attraversano una sezione nell’unità di tempoattraversano una sezione nell’unità di tempo

• (analogia idraulica)(analogia idraulica)

Tensione elettricaTensione elettrica

– Energia (potenziale) che causaEnergia (potenziale) che causa

il passaggio di correnteil passaggio di corrente

• (analogia idraulica)(analogia idraulica)

I

E

1.1.88 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Elementi circuitali [GENERATORI]Elementi circuitali [GENERATORI]

Generatore di tensioneGeneratore di tensione

Generatori di correnteGeneratori di corrente

VDC

5V

VM

IDC

2A

I2

1.1.99 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Elementi circuitali [Elementi Elementi circuitali [Elementi Passivi]Passivi]

ResistenzaResistenza

InduttanzaInduttanza

CapacitàCapacità

RVRIR

-

+

RR iRv [Legge di Ohm]

LVLIL

-

+

dt

diLv L

L

CVCIC

-

+

dtiC

v CC

1

1.1.1010 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Esempi di AttuatoriEsempi di Attuatori Riscaldatori resistiviRiscaldatori resistivi

– per produrre caloreper produrre calore Diodi emettitori di luce, variatori di luceDiodi emettitori di luce, variatori di luce

– per controllare la luminositàper controllare la luminosità SolenoidiSolenoidi

– per produrre forzeper produrre forze Motori elettriciMotori elettrici

– per produrre spostamentiper produrre spostamenti Altoparlanti e trasduttori ultrasoniciAltoparlanti e trasduttori ultrasonici

– per produrre suoniper produrre suoni

1.1.1111 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Esempi di SensoriEsempi di Sensori Termistori e temocoppieTermistori e temocoppie

• misura di temperaturamisura di temperatura Foto diodi e foto transistoriFoto diodi e foto transistori

• misura di lucemisura di luce Materiali piezoelettrici e Materiali piezoelettrici e strain gaugesstrain gauges

• misura di forzamisura di forza Potenziometri, sensori induttivi ….Potenziometri, sensori induttivi ….

• misura di lunghezzamisura di lunghezza Generatori tachimetrici, accelerometri, …Generatori tachimetrici, accelerometri, …

• misura di velocità e accelerazionemisura di velocità e accelerazione MicrofoniMicrofoni

1.1.1212 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Blocchi Base Sistema ElettronicoBlocchi Base Sistema Elettronico

AMPAMP == AmplificatoreAmplificatore FiltroFiltro == Elimina le frequenze inutili Elimina le frequenze inutili

(filtro anti aliasing – passa (filtro anti aliasing – passa basso)basso)

A/DA/D == Convertitore Analogico/DigitaleConvertitore Analogico/Digitale El. Dig.El. Dig. == Elaboratore “Numerico”Elaboratore “Numerico”

(opera su grandezze numeriche (opera su grandezze numeriche e logiche) e logiche)

D/A D/A == Convertitore Digitale/AnalogicoConvertitore Digitale/Analogico FiltroFiltro == Interpolatore (passa basso)Interpolatore (passa basso) AMPAMP == AmplificatoreAmplificatore

1.1.1313 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Sistema Elettronico di Controllo: Sistema Elettronico di Controllo: Schema generale Schema generale

1.1.1414 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Sistema Elettronico di Controllo: Sistema Elettronico di Controllo: Esempio Engine Control UnitEsempio Engine Control Unit

1.1.1515 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Sistema Elettronico di Controllo: Sistema Elettronico di Controllo: Esempio Intelligent Mirror in Car Esempio Intelligent Mirror in Car

1.1.1616 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

1.1.1717 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Il mondo esterno è caratterizzato Il mondo esterno è caratterizzato da variabili analogicheda variabili analogiche

Un segnale analogico ha un’ampiezza che Un segnale analogico ha un’ampiezza che

varia in maniera continua nel tempovaria in maniera continua nel tempoAmpiezza (e.g. Volt)

t

1

2

3

4

5

6

1.1.1818 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Segnale campionato 1Segnale campionato 1

Viene “associato” il valore che il segnale Viene “associato” il valore che il segnale

analogico assume nell’istante di analogico assume nell’istante di

campionamentocampionamentoAmpiezza

t

1

2

3

4

5

6

TCTC TC TC TC TC TC TC TC TC TC

1.1.1919 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Segnale campionato 2Segnale campionato 2

Viene “congelato” il valore che il segnale Viene “congelato” il valore che il segnale

analogico assume a intervalli regolari di tempo analogico assume a intervalli regolari di tempo

(Sample & Hold)(Sample & Hold)Ampiezza

t

1

2

3

4

5

6

TCTC TC TC TC TC TC TC TC TC TC

1.1.2020 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Segnale numerico 1Segnale numerico 1

Viene assegnato al segnale campionato il Viene assegnato al segnale campionato il

valore numerico relativo all’intervallo di valore numerico relativo all’intervallo di

appartenenzaappartenenzaAmpiezza

t

1

2

3

4

5

6

TCTC TC TC TC TC TC TC TC TC TC

1.1.2121 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Segnale numerico 2Segnale numerico 2

Al segnale quantizzato si può associare il Al segnale quantizzato si può associare il

valore numerico “codificato” valore numerico “codificato”

Ampiezza

t

1

2

3

4

5

6

TCTC TC TC TC TC TC TC TC TC TC

2 4 5 4 2 1 0 2 4 6 5

1.1.2222 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Codifica BinariaCodifica Binaria Un valore numerico può essere codificato in un numero Un valore numerico può essere codificato in un numero

N di segnali digitali, i bit (e.g. N=3 in tabella)N di segnali digitali, i bit (e.g. N=3 in tabella)

NumeroNumero AA

MSBMSB

BB CC

LSBLSB

00 00 00 00

11 00 00 11

22 00 11 00

33 00 11 11

44 11 00 00

55 11 00 11

66 11 11 00

77 11 11 11

1.1.2323 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Segnale DigitaleSegnale Digitale

Particolare segnale numerico che può assumere solo due Particolare segnale numerico che può assumere solo due

valori “0” e “1”valori “0” e “1”

– Al valore “0” si associa, per esempio, la grandezza Al valore “0” si associa, per esempio, la grandezza

elettrica 0 Velettrica 0 V

– Al valore “1” si associa, per esempio, la grandezza Al valore “1” si associa, per esempio, la grandezza

elettrica 5 Velettrica 5 V

0

1

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

TS

0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0

1.1.2424 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Errore di QuantizzazioneErrore di Quantizzazione

Il segnale “Numerico” può assumere solo Il segnale “Numerico” può assumere solo

un numero finito di valori un numero finito di valori

– DiscretizzazioneDiscretizzazione

Il segnale Analogico può variare con Il segnale Analogico può variare con

continuitàcontinuità

Il segnale numerico rappresenta il Il segnale numerico rappresenta il

segnale analogico solo in certi istanti, in segnale analogico solo in certi istanti, in

altri istanti si commette un errorealtri istanti si commette un errore

1.1.2525 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Caratteristica di trasferimentoCaratteristica di trasferimento Grafico della grandezza d’uscita in funzione della Grafico della grandezza d’uscita in funzione della

grandezza d’ingressograndezza d’ingresso

Esempio rampa lineare con intervallo quantizzazione Esempio rampa lineare con intervallo quantizzazione ΔΔ= =

1 Volt 1 Volt

VI

VUVU

1 2 3 4 5

1

2

3

4

5

AMP = 1VI VU

A / NVI VU

1.1.2626 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Grafico dell’Errore di Grafico dell’Errore di QuantizzazioneQuantizzazione

Errore di QuantizzazioneErrore di Quantizzazione

– Differenza, in un determinato istante, fra il valore del Differenza, in un determinato istante, fra il valore del

segnale analogico e valore del segnale numericosegnale analogico e valore del segnale numerico

VI

VUVU

1 2 3 4 51

2

3

4

5

1 2 3 4 5

0

1

Errore di quantizzazione

VI

1.1.2727 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Minimizzazione dell’ERROREMinimizzazione dell’ERRORE

Scegliendo il valore di commutazione in Scegliendo il valore di commutazione in

corrispondenza n+0.5 si ha il modulo corrispondenza n+0.5 si ha il modulo

dell’errore al massimo è pari a dell’errore al massimo è pari a ΔΔ/2/2

1 2 3 4 5

0

-0.5

Errore di quantizzazione

VI

VUVU

1 2 3 4 5

1

2

3

4

5

0.5

1.1.2828 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

RiepilogoRiepilogo• Segnale analogicoSegnale analogico

– Un segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera Un segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera continua nel tempocontinua nel tempo

• Segnale campionatoSegnale campionato– Viene “congelato” il valore che il segnale analogico assume Viene “congelato” il valore che il segnale analogico assume

a intervalli regolari di tempo (Sample & Hold – S&H)a intervalli regolari di tempo (Sample & Hold – S&H)• Segnale numerico 1Segnale numerico 1

– Viene assegnato al segnale campionato il valore numerico Viene assegnato al segnale campionato il valore numerico relativo all’intervallo di appartenenzarelativo all’intervallo di appartenenza

• Segnale numerico 2Segnale numerico 2– Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico

“codificato” “codificato” • Segnale DigitaleSegnale Digitale

– Particolare segnale numerico che può assumere solo due Particolare segnale numerico che può assumere solo due valori “0” e “1”, valori “0” e “1”,

– Al valore “0” si associa, per esempio, 0 VAl valore “0” si associa, per esempio, 0 V– Al valore “1” si associa, per esempio, 5 VAl valore “1” si associa, per esempio, 5 V

1.1.2929 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Rumore nei Sistemi AnalogiciRumore nei Sistemi Analogici DEFINIZIONEDEFINIZIONE

• Segnale estraneo dovuto a:Segnale estraneo dovuto a:

– Agitazione termica degli elettroni in resistenzeAgitazione termica degli elettroni in resistenze

– Accoppiamento induttivo o capacitivo con segnali Accoppiamento induttivo o capacitivo con segnali di altri sistemidi altri sistemi

Il rumore si somma direttamente al segnale analogico e Il rumore si somma direttamente al segnale analogico e

quindi lo deterioraquindi lo deteriora

• Il rumore viene amplificato insieme al segnaleIl rumore viene amplificato insieme al segnale

v

t

1.1.3030 SEP – Ing. SaponaraSEP – Ing. Saponara

Rumore nei Sistemi DigitaliRumore nei Sistemi Digitali

Il rumore si somma direttamente al segnale digitale e Il rumore si somma direttamente al segnale digitale e

quindi lo deterioraquindi lo deteriora

È possibile ricostruire il segnale definendo gli intervalli È possibile ricostruire il segnale definendo gli intervalli

entro i quali si attribuisce il valore alto e il valore bassoentro i quali si attribuisce il valore alto e il valore basso

• 0V > basso > 2 V ; 3 V > alto > 5 0V > basso > 2 V ; 3 V > alto > 5

v

t

v

t