Obiettivi formativi
Il corso si propone di fornire un'approfondita conoscenza e comprensione di:
1. modo di operare di oscillatori quasi-sinusoidali,
2. principi di condizionamento dei segnali nella strumentazione elettronica,
3. analisi di rumore
4. filtri attivi tempo-continui
5. principi fisici di funzionamento dei sensori
6. modelli matematici di trasduzione fra differenti domini energetici
In aggiunta, uno studente che completi con successo il corso, dovrebbe essere in grado di fare le seguenti cose:
1. progettare oscillatori quasi-sinusoidali, filtri e circuiti di condizionamento dei segnali
2. progettare sensori e trasduttori per grandezze fisiche, i rispettivi circuiti d'interfaccia e accurate tecniche di misura
Prerequisiti
Familiarità con l'analisi dei circuiti analogici (modelli dei transistor, analisi ai piccoli segnali, compensazione in frequenza, etc.), blocchi fondamentali (amplificatori, specchi, etc.) come visti in Elettronica 2
Contenuti dell'insegnamento
Il Corso è dedicato allo studio della moderna strumentazione elettronica e ai sensori
Gli argomenti includono:
1. strumentazione elettronica
1.1. componenti per il condizionamento dei segnali quali:
1.1.1. amplificatori elettronici (amplificatori operazionali a retroazione di tensione, di corrente e a transconduttanza), amplificatori ad isolamento, differenziali e per strumentazione, amplificatori di carica
1.1.2. filtri attivi
1.1.3. circuiti non-lineari (amplificatori logaritmici, moltiplicatori)
1.1.4. amplificatori sample&hold
1.2. riferimenti di tensione
1.3. oscillatori
1.4. rumore elettronico
2. sensori
2.1. sensori e attuatori: introduzione
2.1.1. modelli a costanti concentrate, trasduttori a conservazione di energia, dinamica dei sistemi lineari e non
2.2. elasticità, tensori di sforzo e deformazione, matrici di rigidità e cedevolezza. Elementi di strutture meccaniche
2.3. principi fisici di trasduzione, modellizzazione e applicazioni
2.3.1. resistenza (resistività specifica, sensibilità alla temperatura nei RTD e NTC, sensibilità alle deformazioni e effetto piezoresistivo, sensibilità all'umidità), condizionamento dei segnali (ponti, linearizzazione)
2.3.2 capacità
2.3.3. magnetismo (leggi di Faraday, Ampère, induzione), applicazioni (fluxgate, search-coil, LVDT), condizionamento dei segnali (rilevazione sincrona applicata al fluxgate)
2.3.4. effetto Hall e magnetoresistenza
2.3.5. magnetostrizione, applicazioni (attuatori e sensori di posizione)
2.3.6. espansione termica, trasferimento del calore, effetti Seebeck e Peltier, termocoppie, sensori a giunzione pn, anenometro a filo caldo
2.3.7. effetto piezoelettrico, condizionamento dei segnali nel progetto di sensori pratici (a bassa-frequenza a alla risonanza)
Programma esteso
1. STRUMENTAZIONE ELETTRONICA (33 hours)
1.1. componenti per il condizionamento dei segnali quali: (Totale: 16 ore)
1.1.1. amplificatori a retroazione di tensione, di corrente e a transconduttanza (3 ore)
1.1.2. amplificatori ad isolamento, differenziali, per strumentazione e di carica(4 ore)
1.1.3. introduzione ai filtri, filtri attivi (6 ore)
1.1.4. circuiti non-lineari (amplificatori logaritmici, moltiplicatori) (2 ore)
1.1.5. sample&hold (1 ora)
1.2. riferimenti di tensione (1 ora)
1.3. oscillatori sinusoidali (8 ore)
1.3.1 Concetti di oscillatore a retrazione positiva e a resistenza negativa
1.3.2 requisiti per l'innesco dell'oscillazione e transitorio
1.3.3 Limiti di ampiezza, controllo di frequenza
1.3.5 oscillatori RC, LC, al quarzo
1.4. rumore elettronico (8 ore)
1.4.1 analisi di rumore nei circuiti passivi; rumore nei diodi, BJT e FET noise; rumore 1/f;
1.4.2 analisi di rumore a due-porte, ruolo della resistenza di sorgente, tensione di rumore equivalente in ingresso
1.4.3 cifra di rumore, rumore di ingresso totale a blocchi in cascata
2. SENSORI (33 ore)
2.1. sensori e attuatori: introduzione, modelli a costanti concentrate; (1 ora)
2.2. trasduttori a conservazione di energia, dinamica dei sistemi lineari e non-lineare (6 ore)
2.3. Elasticità, tensori di sforzo e deformazione, matrici di rigidità e cedevolezza. Elementi di strutture meccaniche (4 ore)
2.4. Principi fisici di trasduzione, modelli e applicazioni
2.4.1. resistenza (resistività specifica, sensibilità alla temperatura in RTD e NTC, sensibilità alle deformazioni e effetto piezoresistivo, sensibilità all'umidità), condizionamento dei segnali (ponti, linearizzazione) (4 ore)
2.4.2. capacità (1 ora)
2.4.3. magnetismo (leggi di Faraday, Ampère, induzione), applicazioni (fluxgate, search-coil, LVDT), conditionamento (rilevatore sincrono applicato al fluxgate) (4 ore)
2.4.4. effetto Hall and magnetoresistenze (2 ore)
2.4.5. magnetostrizione, applicazioni a attuatori e sensori di posizione (1 ora)
2.4.6. sensori termici (4 ore)
2.4.6.1 espansione termica, trasferimento del calore, effetti Seebeck and Peltier
2.4.6.2 termocoppie,
2.4.6.3 sensori a giunzione pn,
2.4.6.4 anenometro a filo caldo
2.4.7. sensori piezoelettrici (6 ore)
2.4.7.1 effetto piezoelettrico, modelli
2.4.7.2 condizionamento dei segnali nel progetto pratico di sensori a bassa-frequenza e alla risonanza
Bibliografia
Testi di consultazione
P.U.Calzolari, S.Graffi. Elementi di Elettronica, Zanichelli Editore.
A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES, 4a Ed. (sulla 6a in inglese), 2013
S. Franco, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, 3rd ed., McGrawHill, 2002 (ISBN: 0071207031)
S.D. Senturia, Microsystem Design, Springer, 2001,
(ISBN: 978-0-7923-7246-2) Cap.5-10
R. Pallas-Areny, J. G. Webster, Sensors and signal conditioning, 2nd ed., J. Wiley & Sons Inc., 2001 (ISBN: 0-471-33232-1)
J. Fraden, Handbook of modern sensors, Springer, 3a Ed.
Metodi didattici
Ci saranno 33 Lezioni da 2 ore ciascuna e un certo numero di esercizi da svolgere a casa. Durante il semestre saranno disponibili più dettagli sul sito del corso (lea.unipr.it).
Modalità verifica apprendimento
Valutazione:
Compiti a casa: 25%
Esame orale: 75%
Altre informazioni
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