Laboratorio di metodi di acquisizione dati -...
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Laboratorio di metodi di acquisizione dati Giorgio Maggi
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Laboratorio di metodi diacquisizione dati
Giorgio Maggi
Contenuti del Corso
Introduzione Sensori e trasduttori Conversione Analogico/Digitale e Digitale/Analogica Sistemi di acquisizione dati: strumentazione modulare e standard: NIM,
CAMAC, VME, PCI. Sistema di acquisizione dati di un complesso esperimento di fisica di
alta energia: raccolta dati, instradamento e flusso dei dati, trigger,salvataggio dei dati e gestione di grosse mole di dati.
Processamento dei dati: calcolo intensivo, parallelismo degli algoritmi,farm di calcolatori, sistema di code e batch integrato, nuove frontieredel calcolo scientifico e GRID.
Laboratorio Programmazione in ambiente LabVIEW™ .
Realizzazione di strumenti virtuali per l’acquisizione di dati sperimentali:elaborazione, rappresentazione grafica, salvataggio, e analisi statistica deidati numerici
Obiettivi del corso
Fornire la descrizione e comprensione degli elementi e dei concettialla base dei moderni sistemi di acquisizione ed elaborazione deidati.
Presentare i vari componenti un sistema acquisizione e le loroconnessioni, fino all’immagazzinamento dei dati su un supportostabile.
Fornire gli elementi per la realizzazione di Strumenti Virtuali inambiente LabVIEW™
Fornire gli elementi perché alla fine del corso lo studente possaessere in grado di progettare un semplice sistema di acquisizionedati da strumentazione di laboratorio, comprendere le istruzioni(data sheet) della strumentazione necessaria e, con qualchesupplemento di studio, implementare il sistema.
L’apparato CMS
L’esperimento CMS
I rivelatori di silicio: principiodi funzionamento
Il silicio viene polarizzatoinversamente in modo dacreare una zona disvuotamento (senza carichelibere)
Quando unaparticella ionizzanteattraversa il silicio crea nellazona svuotata coppie dielettroni-lacune che, sottol’azione del campo elettricopresente, si spostano versogli elettrodi dove vengonoraccolti.
Il moto viene influenzato dalcampo magnetico presente(angolo di Lorentz)
misurare la carica raccolta da ciascun elettrodo anche permigliorare la determinazione della misura della posizione.
Il calorimetro elettromagneticodi CMS
Più di 80,000 cristalli dipiombo-tungsteno (PbWO4)letti per mezzo di fotodiodi avalanga
Conclusione
Si ha spesso la necessità di rappresentare connumeri grandezze diverse. Perché per esempio è necessario elaborare l’informazione
con un computer (che tratta preferenzialmente dati digitali)
Attraverso opportuno sensore la grandezza damisurare viene trasformata in un segnale elettrico (dicorrente o di tensione)
La misura di una grandezza qualsiasi viene quindiricondotta ad un problema di digitalizzazione di unsegnale elettrico. (Analog to Digital Converter, ADC)
Dalla grandezza fisica allaElaborazione di dati
• Un sensore è un sistema che converte una grandezza fisica damisurare in un segnale elettrico.
• Un trasduttore è un sistema che converte un tipo di energia iningresso in un tipo di energia differente in uscita
• Per ogni grandezza fisica da misurare si sfruttano degli effetti fisicinoti che la trasformino in una opportuna grandezza elettrica
• La caratteristica del sensore lega la grandezza elettrica in uscitaalla grandezza da misurare
Grandezzafisica
Grandezzafisica Trasduzione
Misura Registrazione Elaborazione
Fabio Garufi - TAADF 2005 - 2006
La catena tipica dell’acquisizionedati
Sensore Filtro Multiplexer Amplificatore Sample and Hold Convertitore analogico/digitale Logica di controllo (hardware e/o software) Acquisitore (computer)
La conversione analogico digitale
La conversione analogica digitaleconsiste in due processi didiscretizzazione (quantizzazione)successive
Una prima discretizzazione avvienenel dominio del tempo La risoluzione è data dal periodo di
campionamento Tc
Che è legata alla frequenza dicampionamento fc da:
€
fc =1Tc
La frequenza di campionamento
Aliasing Il sotto campionamento può far si che può far sì che
segnali di alta frequenza appaiano come segnali difrequenza inferiore (aliasing).
Una volta che il segnale ha subito aliasing non è piùpossibile recuperare il segnale originale.
Teorema di Nyquist o di Shannon Per evitare la sovrapposizione di componenti spettrali
(aliasing di campionamento), la frequenza dicampionamento deve essere fc ≥ 2fmax, essendo fmax lalarghezza dello spettro del segnale originario.
La frequenza 2fmax è detta frequenza di Nyquist
Rimedi: Filtri anti aliasing
Componenti di rumore con frequenzamaggiore di fmax possono indurre questoeffetto (Aliasing da disturbo):
due soluzioni1. Filtro passa basso prima del campionamento
(anti-aliasing)
2. Aumento della frequenza di campionamento(sovracampionamento) e filtraggio digitalesuccessivo.
La conversione analogico digitale
La seconda discretizzazione avviene neldominio delle ampiezza Si tratta in questo caso di assegnare un
numero finito di valori ad una grandezza chevaria con continuità
Se indichiamo con D la dinamica della misura ossia l’intervallo dei valori del segnale
all’ingresso del convertitore da digitizzare ed indichiamo con k il numero di livelli in cui si
vuole convertire la grandezza in ingresso Ciascun livello sarà di ampiezza pari a D/k
(Risoluzione o LSB, Least significantbit)
L’errore massimo che si commette sarà
€
εmax =D2k
=LSB2
N=Numero di bits; k=2N ; LSB=D/ 2N
Multiplexer
Quando il convertitore A/Dè l’elemento più costoso delcircuito conviene utilizzarloper la digitizzazione di piùcanali.
Un opportuna logicaconsente di selezionare ilcanale connesso all’ADC
La commutazione puòdifferenziale o unipolare(come mostrato in figura)
L’amplificatore
Questo stadio serve per adattare il segnale di ingresso alladinamica del convertitore.
12-bitDigitizer12-bit
Digitizer
10 mVsignal10 mVsignal
4 levelsof resolution
(2-bits)
4 levelsof resolution
(2-bits)
12-bitDigitizer12-bit
Digitizer
10 Vsignal10 V
signal
4096 levelsof resolution
(12-bits)
4096 levelsof resolution
(12-bits)
L’amplificatore
E per ridurre l’effetto del rumore indotto dalla conversioneA/D.
10 mVsignal10 mVsignal
12-bitDigitizer12-bit
Digitizer
1 mVnoise1 mVnoise
SNR = 10SNR = 10 1 mVnoise1 mVnoise
X 1000
SNR = 10,000SNR = 10,000
10 Vsignal10 V
signal10 mVsignal10 mVsignal
12-bitDigitizer12-bit
Digitizer
Sample and hold
La funzione di questo circuito è duplice: Nella prima fase il segnale di uscita deve seguire
senza distorcerlo il segnale all’ingresso del circutofino all’arrivo del comando di hold
Dopo questo segnale deve mantenere fisso ilsegnale di uscita per tutto il tempo occorrenteconvertitore analogico digitale per effettuare ladigitizzazione Eventuali variazioni devono essere inferiori al LSB
Sample and Hold (2)
• Grande Impedenza di ingresso• Grande rapidità di adattamento
in fase sample (Slew-Rate)• Piccolo tempo di assestamento
(Settling) dopo il comando dihold
• Lunga Costante di tempo delmantenimento in hold (scaricaesponenziale)
Caratteristica ideale di un ADC
Caso reale
Lo scostamento dalcomportamento ideale ècausato da differentierrori classificabili in: errore di polarizzazione
(offset), errore di guadagno ed errore di non linearità
integrale e differenziale.
Errore di polarizzazione(offset)
In questo caso il convertitoredigitalizza un valore nonnullo anche quando latensione all’ingressodell’ADC è nulla
comporta una traslazione lungo l’asse
delle ascisse dellacaratteristica ingresso uscitadell’ADC.
e un valore medio non nullodell’errore di quantizzazione
Errore di guadagno
L'errore di guadagnomodifica la pendenza dellacaratteristica ingresso/uscitarispetto all'andamento ideale,pendenza = 1,
riducendo o aumentando ilpasso di quantizzazione.
In questo caso, l'errore diquantizzazione varialinearmente con la tensioneda convertire.
Non linearità differenziale
Non linearità integrale
La non linearitàintegrale rappresentail massimoscostamento dellacaratteristica realeingresso-uscitadell’ADC da quellaideale
Catalogo Caen
