SEP – Ing. Saponara 1.1 Sistemi Elettronici Programmabili DOCENTE: Ing. Sergio Saponara...
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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: [email protected]@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