Realizzazione e caratterizzazione di un sistema per le misure di spostamento basato sul ''Dithering''

Siamo sempre stati abituati a pensare al rumore come a qualcosa di estremamente negativo e questo, nell’ambito dell’elettronica, ha dato il via all’utilizzo di nuove tecniche per limitare i problemi causati dalla presenza del rumore. In realtà, però, recenti studi hanno dimostrato che, se utilizzato opportunamente, esso può migliorare le prestazioni di alcuni sistemi.
Nel presente lavoro di tesi ci si propone proprio di fornire una dimostrazione dei benefici che può dare il rumore ad una specifica categoria di sistemi. Quella a cui si fa riferimento comprende i sistemi di trasferimento di segnali dotati di caratteristica ingresso-uscita non lineare. La non linearità, in questi sistemi, comporta delle distorsioni nel trasferimento del segnale per cui il segnale in ingresso non arriva come dovrebbe in uscita.
È stato dimostrato che le prestazioni di tali sistemi possono essere migliorate tramite delle tecniche di rumore aggiunto, tra le quali le principali sono due: la risonanza stocastica ed il dithering. Entrambe le tecniche si basano sull’aggiunta di una certa quantità di rumore al segnale in ingresso, però, mentre la risonanza stocastica viene applicata a quei sistemi in cui il segnale in ingresso ha un livello troppo basso per superare la soglia del sistema, il dithering viene applicato nelle conversioni analogico-digitali per migliorare la risoluzione. Praticamente l’effetto della risonanza stocastica è quello di abbassare la soglia del sistema in modo che anche piccoli segnali in ingresso riescano a farlo commutare; invece l’effetto del dithering è quello di migliorare la risoluzione di un sistema digitale linearizzandone la caratteristica.
Il dithering è la tecnica a cui si è interessati in questo contesto in quanto la si vuole applicare ad un encoder, un sensore di posizione con transcaratteristica non lineare ed avente il vantaggio di fornire in uscita un segnale direttamente digitale (più facilmente elaborabile). Per quanto detto prima ci si aspetta allora che aggiungendo un rumore in ingresso a tale encoder la sua caratteristica risulti lineare. Questo è proprio ciò che si vuole dimostrare nella seguente trattazione, suddivisa come di seguito riportato.
Nel primo capitolo viene esposto il concetto di rumore e ne viene data una descrizione matematica; sono poi trattate molto più in dettaglio le due tecniche di rumore aggiunto precedentemente accennate ed esposti i risultati che ci si aspettano in seguito alla loro applicazione.
Nel secondo capitolo vengono illustrate le caratteristiche principali dei sensori in generale per poi introdurre gli encoder ed il loro funzionamento.
Nel terzo capitolo si espone la struttura hardware realizzata per applicare la tecnica del dithering e dimostrarne la validità.
Nel quarto capitolo viene trattata la simulazione del sistema in esame e vengono confrontati i risultati ottenuti da essa con quelli ottenuti dalla teoria del dithering.
Nel quinto capitolo, infine, vengono esposti i risultati sperimentali ottenuti applicando il rumore, per diversi valori della sua deviazione standard, al sistema in esame. Vengono poi evidenziati alcuni problemi strutturali, insieme alle relative soluzioni, ai quali si è andati incontro nel corso della realizzazione del sistema e delle misure effettuate.
I risultati sperimentali ottenuti, confrontati con quelli teorici e con quelli simulati, dimostrano quanto effettivamente il dithering sia stato utile nella linearizzazione del sensore in esame e, quindi, nel miglioramento della sua risoluzione. Inoltre, l’entità trascurabile dell’errore tra dati sperimentali e dati simulati, evidenzia quanto la struttura realizzata ben si presta all’applicazione del dithering.