RICERCA ITALIANA     

SVILUPPO DI METODI INNOVATIVI PER LA CARATTERIZZAZIONE, MODELLIZZAZIONE E CORREZIONE DELLE NON IDEALITA' DI CANALI DI CONVERSIONE A/D E D/A, AL FINE DI CONTRIBUIRE ALL'ARMONIZZAZIONE ED ALL'AGGIORNAMENTO DELLA NORMATIVA INTERNAZIONALE DEL SETTORE

Politecnico di Bari

Abstract

Il programma di ricerca si pone come obiettivo il miglioramento delle prestazioni delle apparecchiature basate sulla conversione A/D e D/A (dalla strumentazione di misura fino agli ADC e DAC integrati) mediante lo sviluppo di metodi per la misura accurata e la rimozione degli errori di conversione (comprendendo, ove applicabile, gli errori causati dai blocchi di trasduzione e condizionamento del segnale). Un ulteriore obiettivo è quello di estendere la teoria dell’incertezza di misura agli errori dinamici di conversione, mettendo in grado i costruttori di qualificare correttamente le non idealità nei fogli caratteristici, e gli utenti di tenere conto correttamente delle cifre fornite per calcolare l’incertezza nella conversione. La ricerca, svolta per le parti di competenza dalle cinque sedi coordinate, ha tra le sue finalità quella di contribuire concretamente al miglioramento e alla armonizzazione degli standard internazionali nel settore, che attualmente presentano varie discrepanze e ovvie manchevolezze rispetto allo stato della tecnica. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Mario Savino Politecnico di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

La conversione di segnali elettrici dal dominio analogico a quello digitale, e viceversa, è l’operazione chiave in innumerevoli apparecchiature e tecnologie elettroniche. Dagli strumenti di misura alle apparecchiature biomedicali, dai radar ai telefoni cellulari, quasi ogni moderna apparecchiatura elettronica richiede che un’informazione, sotto forma di segnale, passi una o più volte tra i domini analogico e digitale.

Un obiettivo finale della ricerca può essere, quindi, così enunciato:

1) compiere un ulteriore, e più ampio possibile, passo in avanti nel miglioramento delle prestazioni dei convertitori A/D e D/A.

Un obiettivo intermedio, e di importanza in realtà non minore, è:

2) comprendere meglio – dal punto di vista sia matematico che tecnologico – i meccanismi d’errore nei sistemi di conversione A/D e D/A.

In questo ambito si vuole raggiungere un ulteriore risultato la cui importanza è molto sentita, per esempio, dagli utenti finali della strumentazione di misura, e in generale da chi deve scegliere cosa acquistare per realizzare il proprio specifico progetto o applicazione:

3) determinare le figure di merito più rappresentative per qualificare le prestazioni dei sistemi di conversione A/D e D/A.

Infine, un risultato finale concreto del progetto, che i proponenti inseriscono anche ai fini di una agevole valutazione ex-post del lavoro svolto, è il seguente:

4) sottoporre i risultati della ricerca all’IEEE ed eventualmente ad enti normatori (IEC, ISO), al fine della loro inclusione negli Standard relativi ai convertitori A/D e D/A, alla strumentazione, e all’incertezza di misura.

Gli obiettivi 2 e 3 chiariscono il “livello” a cui si intende lavorare per ottenere l’obiettivo 1 (ADC e DAC di prestazioni migliori). Gli obiettivi 3 e 4 chiariscono invece che si vuole raggiungere un risultato scientifico-tecnologico facilmente trasferibile al mondo delle imprese, e dei progettisti di apparecchiature e degli utenti di strumentazione elettronica.
Per comprendere il significato degli obiettivi 2 e 3 si può pensare, a titolo di esempio, alla vera e propria “rivoluzione” tecnologica dei convertitori A/D sigma-delta. Essi utilizzano un ADC scadente che però, con appropriata elaborazione numerica del segnale e “trade-off” tra banda e risoluzione, fornisce in uscita un segnale estremamente “pulito” - da cui l’enorme rumore introdotto dall’ADC interno è quasi totalmente rimosso. Lo spirito e i metodi della ricerca, che si concentra sulla modellizzazione matematica e la rimozione digitale degli errori di conversione, sono analoghi a quelli che hanno portato, in tempi non lontanissimi, allo sviluppo della tecnologia sigma-delta.
Per comprendere il significato degli obiettivi 3 e 4, d’altra parte, è sufficiente leggere le caratteristiche tecniche di diversi ADC o DAC, o anche di più strumenti di misura dello stesso tipo, per esempio oscilloscopi digitali. Costruttori diversi (o perfino lo stesso costruttore per prodotti diversi) forniscono figure di merito diverse e di significato a volte oscuro, sicché risulta spesso impossibile un confronto oggettivo o anche solo un’interpretazione sicura delle cifre fornite.
Il commercio internazionale, inoltre, comporta che prodotti venduti in paesi diversi da quello di fabbricazione, debbano essere riprogettati o modificati per soddisfare i diversi standards vigenti nei diversi paesi acquirenti. Da ciò nasce l’esigenza di armonizzare gli standards in modo tale che siano sostanzialmente uguali nei diversi paesi, fornendo vantaggi per i produttori, attraverso la conseguente riduzione dei costi di progetto e modifica e l’incremento della qualità e della realizzazione di nuovi prodotti; per gli acquirenti, attraverso l’offerta di una maggiore scelta di prodotti di migliore qualità e ad un minor costo, e per il governo in termini di promozione del commercio internazionale e della cooperazione tra paesi.
Gli standard riguardanti i convertitori A/N attualmente disponibili, internazionali (IEC 60748-97, IEC 62008-05) e di categoria (IEEE Std 1057/94, IEEE Std 1241/00) non adottano un approccio unificato, fornendo essi stessi, a volte, definizioni diverse o non perfettamente chiare delle stesse quantità. Le difficoltà riguardano soprattutto le non-idealità in regime dinamico, per le quali molti problemi sia teorici che pratici rimangono aperti.
La descrizione degli obiettivi non sarebbe completa se non si facesse riferimento a fenomeni d’errore che, pur non avendo la loro origine nell’hardware di conversione, sono comunque tipici delle apparecchiature elettroniche che fanno uso di ADC e DAC, e per loro natura possono spesso essere misurati e minimizzati con tecniche analoghe. Questi fenomeni sono essenzialmente gli errori nella trasduzione e nel condizionamento del segnale, e gli errori derivanti da problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC). Ulteriori obiettivi del progetto sono quindi:

5) estendere ai blocchi di trasduzione e di condizionamento del segnale i metodi di analisi e correzione degli errori sviluppati per gli ADC;

6) integrare le metodologie sviluppate con tecniche e soluzioni relative ai problemi di EMC. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Per le ragioni illustrate nella sezione precedente (obiettivo del programma), la base di partenza scientifica della ricerca è estremamente estesa e complessa. Infatti, poiché una conversione A/D o D/A più accurata e veloce è la condizione base per un numero enorme di applicazioni pratiche, il tema è stato studiato praticamente da ogni possibile angolazione, generando una bibliografia letteralmente sterminata. Nel seguito si cercherà, comunque, di mettere in evidenza i dati più rilevanti che servono da guida per il presente programma di ricerca.

Misurare e rimuovere gli errori che “sporcano” un segnale nella conversione A/D e D/A non è un compito semplice, soprattutto perché nell’operazione si sovrappongono effetti indesiderati di tipo molto diverso, che non è facile isolare. Una classificazione molto “naturale” e spesso adottata è la seguente.

1) errori nella base dei tempi (scelta degli istanti di campionamento):
1.1) errori casuali di campionamento (jitter di campionamento, jitter del trigger)
1.2) errori sistematici di campionamento, di tipo lineare (errore nella frequenza di campionamento, ritardo del trigger)
1.3) errori sistematici di campionamento, di tipo non lineare (distorsione della base dei tempi)

2) errori nella conversione dell’ampiezza (scelta dei livelli analogici o digitali da generare nell’istante di campionamento)
2.1) errori casuali di ampiezza (rumore termico, ecc.)
2.2) errori sistematici di ampiezza, di tipo lineare statico (errori di guadagno e di offset)
2.3) errori sistematici di ampiezza, di tipo lineare dinamico (distorsioni nella risposta di ampiezza e di fase)
2.4) errori sistematici di ampiezza, di tipo non lineare statico (quantizzazione, nonlinearità integrale e differenziale)
2.5) errori sistematici di ampiezza, di tipo non lineare dinamico (isteresi, distorsione dipendente dalla frequenza).

Questi fenomeni d’errore fanno sì che il canale di conversione sia il collo di bottiglia che spesso rende una determinata applicazione inattuabile in pratica. Per esempio, i limiti tecnologici correnti rendono tutt’ora impossibile o almeno molto critica una demodulazione tutta digitale di molti segnali passabanda (di tipo radiofonico, radar, ecc.): occorre una conversione analogica verso il basso dello spettro del segnale prima della sua digitalizzazione. Naturalmente si potrebbero fare molti altri esempi (dalle frequenze audio alle microonde) di situazioni l’approccio tutto-digitale risulta inattuabile o sconsigliabile rispetto all’uso di elettronica analogica, a causa degli errori (soprattutto quelli non lineari, sia di ampiezza che di tempo) introdotti dalla conversione. In generale, il problema è soprattutto rappresentato dagli errori dalla descrizione matematica più complessa: per esempio, le nonlinearità dinamiche di ampiezza, ma anche le nonlinearità della base dei tempi e a volte la semplice quantizzazione sono un problema. Occorre poi dire che nel campo della conversione D/A le conoscenze sono considerevolmente più arretrate rispetto a quello della conversione A/D, ma colmare questo gap è una esigenza sempre più sentita: è stato costituito un Working Group IEEE proprio su questo argomento (IEEE P1658 – TC10).
In definitiva, lo stato dell’arte sul problema oggetto della presente ricerca – misura e rimozione degli errori nella conversione A/D e D/A – può essere descritto per grandi linee in questo modo.

a) L’esigenza di sviluppare le conoscenze sull’argomento è enormemente sentita, dalla comunità scientifica come da tutti i costruttori di strumenti e dispositivi che hanno a che fare coi due domini analogico e digitale. Prova ne è la continua produzione scientifica internazionale sulla conversione A/D e D/A, la costituzione di gruppi di lavoro in ambito IEEE (P1241, P1658, P1057), IEC (TC 85/WG 16), ecc., l’ampia partecipazione, anche dei costruttori, ai congressi e workshop specialistici sull’argomento (ad esempio l’IWADC, l’IEEE/IMTC nella sezione A/D e D/A, ecc.).

b) La teoria e i metodi universalmente usati e accettati sono raccolti in buoni documenti normativi, quali gli Standard IEC 60748-97, IEC 62008-05, IEEE Standard 1057/1994 e 1241/2000.
Lo Standard internazionale IEC 60748-4 del 1997 riporta solo metodi di valutazione dei parametri statici dei convertitori A/N, a breve sarà pubblicata la nuova versione di questo standard includente anche i metodi di valutazione delle grandezze dinamiche.
Sempre a livello internazionale nel 2005 è stato pubblicato lo Standard IEC 62008 rivolto a tutti i sistemi di misura che utilizzano dispositivi di acquisizione dati, fornendo metodi per la valutazione delle prestazioni dei convertitori A/D in essi inclusi.
Un notevole contributo alla normativa tecnica internazionale vigente è stato dato anche a livello di standard di categoria dall'IEEE TC-10 dell’ IEEE Instrumentation and Measurement Society attraverso l’IEEE 1057 del 1994 e l’IEEE 1241 del 2000, considerando il primo l’intero canale di acquisizione, il solo ADC il secondo. Attualmente entrambi gli Standard sono in fase di revisione.
La situazione corrente della standardizzazione dei sistemi di misura basati sui convertitori A/D è quindi caratterizzata dalla coesistenza di più standards e dalla mancanza di un approccio unificato che consenta l’armonizzazione normativa. Un’ulteriore osservazione riguarda l’assenza all’interno dei suddetti Standard di metodi finalizzati a quantificare precisamente le non idealità matematicamente più complesse, quali ad esempio le nonlinearità dinamiche e la nonlinearità della base dei tempi simultaneamente presenti (caso molto comune nel trattamento di segnali a frequenza elevata). I metodi trattati sono accurati solo nel caso di canali di conversione dal comportamento molto regolare, altrimenti sono utili solo per ottenere un’idea di massima dello scostamento dall’idealità. Inoltre, questi Standard non sono strutturati in modo da guidare l’utente ad una procedura univoca di identificazione dei parametri di errore. Trattandosi di semplici raccolte di metodologie di prova molto varie, persone diverse con obiettivi simili possono “seguire lo Standard” eseguendo, in effetti, prove molto diverse, e ottenendo risultati che risultano difficilmente comparabili.

c) La teoria e i metodi più avanzati, sviluppati proprio per il trattamento degli errori matematicamente più complessi, benché pubblicati in articoli scientifici ad ampia diffusione internazionale, ancora non sono considerati abbastanza affidabili e universali da essere effettivamente “standard” - né di fatto né di diritto. Per esempio, i risultati ottenuti sperimentando su certi dispositivi spesso risultano, senza una chiara spiegazione, molto difficilmente riproducibili su dispositivi diversi. Questa è il motivo principale per cui gli Standard correnti non li includono.

d) La rimozione degli errori è un argomento di solito poco compreso anche dagli esperti, ed è trattato per lo più in articoli scientifici altamente specialistici. La strumentazione commerciale fa un uso abbastanza largo di tecniche di correzione, ma limitandosi solo alle più semplici (linearizzazione statica, dither). Gli stessi costruttori di strumentazione impiegano spesso soluzioni subottimali, ad esempio implementando un dither gaussiano di 0.5 LSB, che va bene nel caso di quantizzazione ideale, ma è insufficiente in presenza di errori di nonlinearità differenziale. Negli ADC e DAC integrati si usano invece tecniche legate alla particolare architettura, che non hanno assolutamente validità generale. Uno degli scopi del programma di ricerca è per l’appunto quello di sviluppare tecniche di correzione universali, capaci di portare le prestazioni dei canali A/D e D/A oltre i limiti attuali.

e) La valutazione dell’effetto degli errori, in termini di incertezza di misura, e conformemente agli Standard internazionali riconosciuti (come la ISO Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) è un altro problema molto sentito e su cui gli utenti più consapevoli hanno spesso posto l’accento (si veda ad esempio un eccellente articolo di Alegria, Girao, Haasz e Serra citato in bibliografia).

f) Le conoscenze sugli errori nella conversione D/A sono più arretrate di quelle sulla conversione A/D, e questo gap deve essere riempito, come esigenza sia dei produttori che degli utenti.

Infine, occorre dire che in questo settore di ricerca l’Italia ha già fornito in passato contributi rilevantissimi, in termini di:
- pubblicazioni su riviste internazionali di indiscussa autorevolezza (citate in bibliografia);
- partecipazione a progetti di ricerca nazionali ed internazionali, anche col coinvolgimento di aziende di grandi dimensioni (tra questi ultimi il progetto europeo DYNAD, il coordinamento EUPAS, ecc.);
- partecipazione a gruppi di lavoro di enti normatori.

Al progetto di ricerca partecipano solo specialisti italiani già coinvolti, ai più alti livelli, in una o più di queste attività, e in costante contatto e collaborazione con specialisti stranieri di analogo livello. <<<