Laboratorio di metodi di acquisizione dati. Giorgio Maggi

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1 Laboratorio di metodi di acquisizione dati Giorgio Maggi

2 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 frontiere del 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 dei dati numerici

3 Obiettivi del corso Fornire la descrizione e comprensione degli elementi e dei concetti alla base dei moderni sistemi di acquisizione ed elaborazione dei dati. Presentare i vari componenti un sistema acquisizione e le loro connessioni, fino all immagazzinamento dei dati su un supporto stabile. Fornire gli elementi per la realizzazione di Strumenti Virtuali in ambiente LabVIEW Fornire gli elementi perché alla fine del corso lo studente possa essere in grado di progettare un semplice sistema di acquisizione dati da strumentazione di laboratorio, comprendere le istruzioni (data sheet) della strumentazione necessaria e, con qualche supplemento di studio, implementare il sistema.

4 L apparato CMS

5 L esperimento CMS

6 I rivelatori di silicio: principio di funzionamento Il silicio viene polarizzato inversamente in modo da creare una zona di svuotamento (senza cariche libere) Quando una particella ionizzante attraversa il silicio crea nella zona svuotata coppie di elettroni-lacune che, sotto l azione del campo elettrico presente, si spostano verso gli elettrodi dove vengono raccolti. misurare la carica raccolta da ciascun elettrodo anche per migliorare la determinazione della misura della posizione. Il moto viene influenzato dal campo magnetico presente (angolo di Lorentz)

7 Il calorimetro elettromagnetico di CMS Più di 80,000 cristalli di piombo-tungsteno (PbWO4) letti per mezzo di fotodiodi a valanga

8 Conclusione Si ha spesso la necessità di rappresentare con numeri grandezze diverse. Perché per esempio è necessario elaborare l informazione con un computer (che tratta preferenzialmente dati digitali) Attraverso opportuno sensore la grandezza da misurare viene trasformata in un segnale elettrico (di corrente o di tensione) La misura di una grandezza qualsiasi viene quindi ricondotta ad un problema di digitalizzazione di un segnale elettrico. (Analog to Digital Converter, ADC)

9 Dalla grandezza fisica alla Elaborazione di dati Grandezza fisica fisica Trasduzione Misura Registrazione Elaborazione Un sensore è un sistema che converte una grandezza fisica da misurare in un segnale elettrico. Un trasduttore è un sistema che converte un tipo di energia in ingresso in un tipo di energia differente in uscita Per ogni grandezza fisica da misurare si sfruttano degli effetti fisici noti che la trasformino in una opportuna grandezza elettrica La caratteristica del sensore lega la grandezza elettrica in uscita alla grandezza da misurare Fabio Garufi - TAADF

10 La catena tipica dell acquisizione dati Sensore Filtro Multiplexer Amplificatore Sample and Hold Convertitore analogico/digitale Logica di controllo (hardware e/o software) Acquisitore (computer)

11 La conversione analogico digitale La conversione analogica digitale consiste in due processi di discretizzazione (quantizzazione) successive Una prima discretizzazione avviene nel dominio del tempo La risoluzione è data dal periodo di campionamento T c Che è legata alla frequenza di campionamento f c da: f c = 1 T c

12 La frequenza di campionamento Aliasing Il sotto campionamento può far si che può far sì che segnali di alta frequenza appaiano come segnali di frequenza inferiore (aliasing). Una volta che il segnale ha subito aliasing non è più possibile recuperare il segnale originale. Teorema di Nyquist o di Shannon Per evitare la sovrapposizione di componenti spettrali (aliasing di campionamento), la frequenza di campionamento deve essere f c 2f max, essendo f max la larghezza dello spettro del segnale originario. La frequenza 2f max è detta frequenza di Nyquist

13 Rimedi: Filtri anti aliasing Componenti di rumore con frequenza maggiore di f max possono indurre questo effetto (Aliasing da disturbo): due soluzioni 1. Filtro passa basso prima del campionamento (anti-aliasing) 2. Aumento della frequenza di campionamento (sovracampionamento) e filtraggio digitale successivo.

14 La conversione analogico digitale La seconda discretizzazione avviene nel dominio delle ampiezza Si tratta in questo caso di assegnare un numero finito di valori ad una grandezza che varia 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 significant bit) L errore massimo che si commette sarà ε max = D 2k = LSB 2 N=Numero di bits; k=2 N ; LSB=D/ 2 N

15 Multiplexer Quando il convertitore A/D è l elemento più costoso del circuito conviene utilizzarlo per la digitizzazione di più canali. Un opportuna logica consente di selezionare il canale connesso all ADC La commutazione può differenziale o unipolare (come mostrato in figura)

16 L amplificatore Questo stadio serve per adattare il segnale di ingresso alla dinamica del convertitore. 12-bit Digitizer 12-bit Digitizer 10 mv signal 4 levels of resolution (2-bits) 10 V signal 4096 levels of resolution (12-bits)

17 L amplificatore E per ridurre l effetto del rumore indotto dalla conversione A/D. 10 mv signal 1 mv noise SNR = bit Digitizer 10 mv signal X V signal 1 mv noise 12-bit Digitizer SNR = 10,000

18 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 circuto fino all arrivo del comando di hold Dopo questo segnale deve mantenere fisso il segnale di uscita per tutto il tempo occorrente convertitore analogico digitale per effettuare la digitizzazione Eventuali variazioni devono essere inferiori al LSB

19 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 di hold Lunga Costante di tempo del mantenimento in hold (scarica esponenziale)

20 Caratteristica ideale di un ADC

21 Caso reale Lo scostamento dal comportamento ideale è causato da differenti errori classificabili in: errore di polarizzazione (offset), errore di guadagno ed errore di non linearità integrale e differenziale.

22 Errore di polarizzazione (offset) In questo caso il convertitore digitalizza un valore non nullo anche quando la tensione all ingresso dell ADC è nulla comporta una traslazione lungo l asse delle ascisse della caratteristica ingresso uscita dell ADC. e un valore medio non nullo dell errore di quantizzazione

23 Errore di guadagno L'errore di guadagno modifica la pendenza della caratteristica ingresso/uscita rispetto all'andamento ideale, pendenza = 1, riducendo o aumentando il passo di quantizzazione. In questo caso, l'errore di quantizzazione varia linearmente con la tensione da convertire.

24 Non linearità differenziale

25 Non linearità integrale La non linearità integrale rappresenta il massimo scostamento della caratteristica reale ingresso-uscita dell ADC da quella ideale

26 Catalogo Caen