STRUMENTAZIONE ELETTRONICA E SENSORI + LABORATORIO
cod. 1005756

Anno accademico 2013/14
1° anno di corso - Primo semestre
Docente responsabile dell'insegnamento
CHIORBOLI Giovanni
insegnamento integrato
12 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in - - -

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

Infine, al termine dell'attività di laboratorio lo Studente potrà dimostrare

1. Abilità hardware e di utilizzo della strumentazione:
1.1. Capacità di utilizzo corretto della strumentazione di base da laboratorio
1.2. Capacità di verifica/comprensione di un setup sperimentale
1.3. Capacità di progetto, costruzione e caratterizzazione di un insieme di circuiti di condizionamento dei segnali e di trasduttori per fare misure di interesse scientifico/tecnico

2. Abilità sperimentale e analitica:
2.1. capacità di progettare/pianificare e completare correttamente l'esperienza di laboratorio,
2.2. capacità di saper elaborare e presentare i dati sperimentali,
2.3. capacità di analizzare e confrontare i risultati della modellizzazione matematica e delle simulazioni con i risultati sperimentali ottenuti,

3. Abilità tipica della pratica professionale:
3.1. capacità di comunicare in modo efficace in forma scritta le scelte di progetto, i passi e le difficoltà realizzative e l'analisi dei risultati sperimentali,
3.2. capacità di presentare oralmente in modo efficace le scelte di progetto, i passi e le difficoltà realizzative e l'analisi dei risultati sperimentali

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.
Familiarità con l'utilizzo degli strumenti di misura.

Contenuti dell'insegnamento

Il Corso è dedicato allo studio della moderna strumentazione elettronica e ai sensori e consiste in una parte di teoria (9 CFU) e in una di laboratorio (3CFU).

Gli argomenti di teoria 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)

Il progetto di laboratorio fornisce agli studenti un'opportunità di consolidare le loro conoscenze teoriche di elettronica e sensori e di introdurli all'arte e alla pratica del progetto circuitale nell'ambito della strumentazione di interfaccia con il mondo fisico. I progetti includono sensori elettrici, magnetici e piezo, strumentazione elettronica quale oscillatori e circuiti di condizionamento dei segnali.
Verrà fornita una specifica o una descrizione funzionale, e gli studenti progetteranno il circuito, selezionando i componenti, costruiranno una breadboard o un circuito stampato, e lo caratterizzeranno. L'obiettivo sarà di realizzare progetti funzionali, in modo pragmatico e con attenzione al costo del progetto.

Programma esteso

Argomenti di teoria:

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

Il progetto di laboratorio fornisce agli studenti un'opportunità di consolidare le loro conoscenze teoriche di elettronica e sensori e di introdurli all'arte e alla pratica del progetto circuitale nell'ambito della strumentazione di interfaccia con il mondo fisico. I progetti includono sensori elettrici, magnetici e piezo, strumentazione elettronica quale oscillatori e circuiti di condizionamento dei segnali.
Verrà fornita una specifica o una descrizione funzionale, e gli studenti progetteranno il circuito, selezionando i componenti, costruiranno una breadboard o un circuito stampato, e lo caratterizzeranno. L'obiettivo sarà di realizzare progetti funzionali, in modo pragmatico e con attenzione al costo del progetto.

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.

Practical design techniques for sensor signal conditioning, Analog Devices, http://www.analog.com/

Libri e riferimenti utili per il Progetto di oscillatori (solo per a.a. 2013-2014):

R. W. Rhea, Discrete oscillator design, Artech House, 2010, (ISBN: 978-1-60807-047-3)
Agilent technologies, Oscillator design guide, sept. 2004.
ADS manual.

Metodi didattici

Ci saranno 33 Lezioni da 2 ore ciascuna e un certo numero di esercizi da svolgere a casa.
Verrà inoltre assegnato un progetto di laboratorio, che sarà sviluppato nel corso di 11 settimane (4 ore consecutive alla settimana).

Maggiori informazioni saranno disponibili all'inizio del corso sulla pagina web (lea.unipr.it)

Modalità verifica apprendimento

Valutazione:

Compiti a casa: 3/16
Presentazione orale del progetto prima di Natale: 2/16
Rapporto dovuto entro la fine di Gennaio: 2/16

Esame orale: 9/16

Altre informazioni

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