Laboratorio di metodi di acquisizione dati - Infn

Contenuti del CorsoIntroduzioneSensori e trasduttoriConversione Analogico/Digitale e Digitale/AnalogicaSistemi di acquisizione dati: strumentazione modulare e standard: NIM,CAMAC, VME, PCI.Sistema di acquisizione dati di un complesso esperimento di fisica dialta 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

I rivelatori di silicio: principiodi funzionamentoIl 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.misurare la carica raccolta da ciascun elettrodo anche permigliorare la determinazione della misura della posizione.Il moto viene influenzato dalcampo magnetico presente(angolo di Lorentz)

Il calorimetro elettromagneticodi CMSPiù di 80,000 cristalli dipiombo-tungsteno (PbWO4)letti per mezzo di fotodiodi avalanga

ConclusioneSi ha spesso la necessità di rappresentare connumeri grandezze diverse.Perché per esempio è necessario elaborare l’informazionecon 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 datiGrandezzafisica fisicaTrasduzioneMisuraRegistrazione Elaborazione• 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 misurareFabio Garufi - TAADF 2005 - 2006

La catena tipica dell’acquisizionedatiSensoreFiltroMultiplexerAmplificatoreSample and HoldConvertitore analogico/digitaleLogica di controllo (hardware e/o software)Acquisitore (computer)

La frequenza di campionamento Aliasing Il sotto campionamento può far si che può far sì chesegnali 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 f c ≥ 2f max , essendo f max lalarghezza dello spettro del segnale originario. La frequenza 2f max è detta frequenza di Nyquist

Rimedi: Filtri anti aliasing Componenti di rumore con frequenzamaggiore di f max 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 digitaleLa seconda discretizzazione avviene neldominio delle ampiezza Si tratta in questo caso di assegnare unnumero finito di valori ad una grandezza chevaria con continuità Se indichiamo con D la dinamica della misura ossia l’intervallo dei valori del segnaleall’ingresso del convertitore da digitizzare ed indichiamo con k il numero di livelli in cui sivuole 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 saràε max= D 2k = LSB2N=Numero di bits; k=2 N ; LSB=D/ 2 N€

MultiplexerQuando il convertitore A/Dè l’elemento più costoso delcircuito conviene utilizzarloper la digitizzazione di piùcanali.Un opportuna logicaconsente di selezionare ilcanale connesso all’ADCLa commutazione puòdifferenziale o unipolare(come mostrato in figura)

L’amplificatoreQuesto stadio serve per adattare il segnale di ingresso alladinamica del convertitore.12-bitDigitizer12-bitDigitizer10 mVsignal4 levelsof resolution(2-bits)10 Vsignal4096 levelsof resolution(12-bits)

L’amplificatoreE per ridurre l’effetto del rumore indotto dalla conversioneA/D.10 mVsignal1 mVnoiseSNR = 1012-bitDigitizer10 mVsignalX 100010 Vsignal1 mVnoise12-bitDigitizerSNR = 10,000

Sample and hold La funzione di questo circuito è duplice:Nella prima fase il segnale di uscita deve seguiresenza distorcerlo il segnale all’ingresso del circutofino all’arrivo del comando di holdDopo 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 adattamentoin 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 ederrore di non linearitàintegrale e differenziale.

Errore di polarizzazione(offset)In questo caso il convertitoredigitalizza un valore nonnullo anche quando latensione all’ingressodell’ADC è nullacomportauna traslazione lungo l’assedelle ascisse dellacaratteristica ingresso uscitadell’ADC.e un valore medio non nullodell’errore di quantizzazione

Errore di guadagnoL'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 integraleLa non linearitàintegrale rappresentail massimoscostamento dellacaratteristica realeingresso-uscitadell’ADC da quellaideale

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