Sistemi Elettronici Programmabili DOCENTE Ing Sergio Saponara Dipartimento

Sistemi Elettronici Programmabili DOCENTE: Ing. Sergio Saponara ² Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione ² Telefono: 050 -2217602 ² E-mail: s. saponara@iet. unipi. it ² Ricevimento (sempre, previo appuntamento via email o telefono), ² Materiale didattico: http: //vlsi. iet. unipi. it/~sapo/ 1 SEP – Ing. Saponara

Sistemi Elettronici per il Controllo ² Schema a blocchi sistema elettronico ² Esempi sistema elettronico di controllo ² Richiami su segnali analogici e digitali e conversione A/D e D/A ² Classificazione dei sistemi elettronici 2 SEP – Ing. Saponara

Sistemi elettronici nella vita quotidiana – – – – – 3 Apparecchi telefonici Apparecchi radio Televisione Sistemi audio e video Personal computer Sistemi di controllo industriale Sistemi di sicurezza su autovetture (e. g. ABS) Sistemi di iniezione e di accensione Domotica …………………. SEP – Ing. Saponara

Esempi di Sistemi Elettronici ² Esempio 1: Ricevitore radio Antenna Altoparlante Sistema di elaborazione Esempio 2 : Amplificatore audio Microfono Altoparlante Sistema di elaborazione 4 SEP – Ing. Saponara

Sistema Elettronico SENSORE ELABORATORE ATTUATORE AMP 5 ~ ~ ~ ELABORATO RE DIGITALE A/D D/A Sequenz. (M. S. F. ) A. U. (R. C. ) L. U. (R. C) MEM (RAM) REG. (F - F) I/O (M. S. F. ) SEP – Ing. Saponara ~ ~ ~ AMP

Blocchi Fondamentali ² Sensore/trasduttore – Trasforma la grandezza fisica che si vuole acquisire in un segnale elettrico (tensione, corrente, variazione di resistenza, capacità, induttanza, etc. ) ² Attuatore – Trasforma un segnale elettrico in una grandezza fisica di interesse (movimento, forza, luce, etc. ) ² Sistema di elaborazione – esegue operazioni lineari e/o non lineari sul segnale d’ingresso per fornire in uscita il segnale di pilotaggio dell’attuatore 6 SEP – Ing. Saponara

Grandezze elettriche ² Corrente elettrica – Quantità di cariche elettriche (elettroni) che attraversano una sezione nell’unità di tempo • (analogia idraulica) I ² Tensione elettrica – Energia (potenziale) che causa il passaggio di corrente • (analogia idraulica) 7 SEP – Ing. Saponara DE

Elementi circuitali [GENERATORI] ² Generatore di tensione VDC VM 5 V ² Generatori di corrente IDC I 2 2 A 8 SEP – Ing. Saponara

Elementi circuitali [Elementi Passivi] ² Resistenza + VR - R [Legge di Ohm] IR ² Induttanza + VL - IL L ² Capacità + VC 9 C IC SEP – Ing. Saponara

Esempi di Attuatori ² Riscaldatori resistivi – per produrre calore ² Diodi emettitori di luce, variatori di luce – per controllare la luminosità ² Solenoidi – per produrre forze ² Motori elettrici – per produrre spostamenti ² Altoparlanti e trasduttori ultrasonici – per produrre suoni 10 SEP – Ing. Saponara

Esempi di Sensori ² Termistori e temocoppie • misura di temperatura ² Foto diodi e foto transistori • misura di luce ² Materiali piezoelettrici e strain gauges • misura di forza ² Potenziometri, sensori induttivi …. • misura di lunghezza ² Generatori tachimetrici, accelerometri, … • misura di velocità e accelerazione ² Microfoni 11 SEP – Ing. Saponara

Blocchi Base Sistema Elettronico ² AMP ² Filtro Amplificatore Elimina le frequenze inutili (filtro anti aliasing – passa basso) ² A/D = Convertitore Analogico/Digitale ² El. Dig. = Elaboratore “Numerico” (opera su grandezze numeriche e logiche) ² D/A = Convertitore Digitale/Analogico ² Filtro = Interpolatore (passa basso) ² AMP = Amplificatore 12 = = SEP – Ing. Saponara

Sistema Elettronico di Controllo: Schema generale 13 SEP – Ing. Saponara

Sistema Elettronico di Controllo: Esempio Engine Control Unit 14 SEP – Ing. Saponara

Sistema Elettronico di Controllo: Esempio Intelligent Mirror in Car 15 SEP – Ing. Saponara

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Il mondo esterno è caratterizzato da variabili analogiche ² Un segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera continua nel tempo Ampiezza (e. g. Volt) 6 5 4 3 2 1 t 17 SEP – Ing. Saponara

Segnale campionato 1 ² Viene “associato” il valore che il segnale analogico assume nell’istante di campionamento Ampiezza 6 5 4 3 2 1 TC 18 TC TC SEP – Ing. Saponara TC TC t

Segnale campionato 2 ² Viene “congelato” il valore che il segnale analogico assume a intervalli regolari di tempo (Sample & Hold) Ampiezza 6 5 4 3 2 1 TC 19 TC TC SEP – Ing. Saponara TC TC t

Segnale numerico 1 ² Viene assegnato al segnale campionato il valore numerico relativo all’intervallo di appartenenza Ampiezza 6 5 4 3 2 1 TC 20 TC TC SEP – Ing. Saponara TC TC t

Segnale numerico 2 ² Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico “codificato” Ampiezza 6 5 4 3 2 1 21 2 4 5 4 2 1 0 2 4 6 5 TC TC TC SEP – Ing. Saponara t

Codifica Binaria ² Un valore numerico può essere codificato in un numero N di segnali digitali, i bit (e. g. N=3 in tabella) Numero A B MSB 22 C LSB 0 0 1 2 0 1 0 3 0 1 1 4 1 0 0 5 1 0 1 6 1 1 0 7 1 1 1 SEP – Ing. Saponara

Segnale Digitale ² Particolare segnale numerico che può assumere solo due valori “ 0” e “ 1” – Al valore “ 0” si associa, per esempio, la grandezza elettrica 0 V – Al valore “ 1” si associa, per esempio, la grandezza elettrica 5 V 1 0 1 0 1 1 1 0 TS TS TS 0 23 SEP – Ing. Saponara

Errore di Quantizzazione ² Il segnale “Numerico” può assumere solo un numero finito di valori – Discretizzazione ² Il segnale Analogico può variare continuità ² Il segnale numerico rappresenta il segnale analogico solo in certi istanti, in altri istanti si commette un errore 24 SEP – Ing. Saponara

Caratteristica di trasferimento ² Grafico della grandezza d’uscita in funzione della grandezza d’ingresso ² Esempio rampa lineare con intervallo quantizzazione Δ= 1 Volt VU VU 5 VI AMP = 1 VU 4 3 2 VI A/N VU 1 1 25 2 SEP – Ing. Saponara 3 4 5 VI

Grafico dell’Errore di Quantizzazione ² Errore di Quantizzazione – Differenza, in un determinato istante, fra il valore del segnale analogico e valore del segnale numerico VU Errore di quantizzazione VU 5 1 4 3 2 0 1 1 1 26 2 3 4 5 2 VI SEP – Ing. Saponara 3 4 5 VI

Minimizzazione dell’ERRORE ² Scegliendo il valore di commutazione in corrispondenza n+0. 5 si ha il modulo dell’errore al massimo è pari a Δ/2 VU 5 VU Errore di quantizzazione 0. 5 4 3 0 2 1 2 -0. 5 1 1 27 2 3 4 5 VI SEP – Ing. Saponara 3 4 5

Riepilogo 28 • Segnale analogico – Un segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera continua nel tempo • Segnale campionato – Viene “congelato” il valore che il segnale analogico assume a intervalli regolari di tempo (Sample & Hold – S&H) • Segnale numerico 1 – Viene assegnato al segnale campionato il valore numerico relativo all’intervallo di appartenenza • Segnale numerico 2 – Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico “codificato” • Segnale Digitale – Particolare segnale numerico che può assumere solo due valori “ 0” e “ 1”, – Al valore “ 0” si associa, per esempio, 0 V – Al valore “ 1” si associa, per esempio, 5 V SEP – Ing. Saponara

Rumore nei Sistemi Analogici ² DEFINIZIONE • Segnale estraneo dovuto a: – Agitazione termica degli elettroni in resistenze – Accoppiamento induttivo o capacitivo con segnali di altri sistemi ² Il rumore si somma direttamente al segnale analogico e quindi lo deteriora • Il rumore viene amplificato insieme al segnale v t 29 SEP – Ing. Saponara

Rumore nei Sistemi Digitali ² Il rumore si somma direttamente al segnale digitale e quindi lo deteriora v t ² È possibile ricostruire il segnale definendo gli intervalli entro i quali si attribuisce il valore alto e il valore basso • 0 V > basso > 2 V ; 3 V > alto > 5 v t 30 SEP – Ing. Saponara