Obiettivi formativi
Alla fine del corso ci si attende che gli studenti siano in grado di:
1 - capire i principi sui quali si basa il modo di operare degli oscillatori quasi-sinusoidali,
2 - conoscere gli elementi di base del condizionamento dei segnali e le sorgenti di rumore nella strumentazione elettronica,
3 - giudicare quale tipo di risposta e quale architettura sia appropriata nel progetto di un filtro per differenti applicazioni,
4 - analizzare il rumore e fare un bilancio degli errori statici e del rumore nei circuiti elettronici,
5 - conoscere e comprendere i principi fisici dei sensori e selezionare il sensore corretto per una data applicazione
6 - rappresentare mediante modelli matematici alcuni sensori e attuatori che trasducono energia tra domini differenti
Prerequisiti
Si assume che gli studenti siano familiari 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
1.1.2. filtri attivi
1.1.3. circuiti non-lineari
1.2. oscillatori
1.3. rumore elettronico
2. SENSORI
2.1. sensori e attuatori: modelli a costanti concentrate,
2.2. trasduttori a conservazione di energia, dinamica dei sistemi lineari e non
2.3. elasticità, tensori di sforzo e deformazione, matrici di rigidità e cedevolezza. Elementi di strutture meccaniche
2.4. principi fisici di trasduzione, modellizzazione e applicazioni
2.4.1. sensori termici
2.4.2. sensori di deformazione
2.4.3. sensori capacitivi
2.4.4. sensori magnetici
2.4.5. sensori e attuatori magnetostrittivi
2.4.6. sensori e attuatori piezoelettrici
Programma esteso
1. STRUMENTAZIONE ELETTRONICA (36 ore)
1.1. componenti per il condizionamento dei segnali quali: (Totale: 20 ore)
1.1.1. amplificatori elettronici (11 ore)
1.1.1.1. amplificatori operazionali a retroazione di tensione (VFA): elementi aggiuntivi su compensazione per carichi capacitivi, schemi di pre-amplificazione per fotodiodi e amplificatori di carica, regole di layout per amplificatori con bassissime correnti di leakage in applicazioni elettrometriche e similari (2 ore)
1.1.1.2. amplificatori operazionali a retroazione di corrente o trans-impedenza (CFA): schema circuitale semplificato e modello funzionale, caratteristica di banda, slew-rate, problemi di stabilità, circuiti di base (VCVS, VCCS, CCVS, CCCS, integratori) (5 ore)
1.1.1.3. amplificatori operazionali a trans-conduttanza (OTA): caratteristiche (1 ora)
1.1.1.4. amplificatori ad isolamento, (1 ora)
1.1.1.5. differenziali e per strumentazione (soluzioni comuni a VFA, CFA e OTA) (2 ore)
1.1.2. filtri attivi (6 ore)
1.1.2.1. specifiche
1.1.2.2. sintesi di filtri passa-basso di Butterworth e Chebyshev
1.1.2.3. trasformazioni di frequenza per la sintesi di filtri passa-alto e passa-banda
1.1.2.4. sintesi con sezioni Bi-Lin e Bi-Quad
1.1.2.5. Sintesi attiva RC
1.1.2.6. Sensitività
1.1.3. circuiti non-lineari (amplificatori logaritmici, moltiplicatori) (3 ore)
1.2. oscillatori sinusoidali (10 ore)
1.2.1. Concetti di oscillatore a retrazione positiva e a resistenza negativa
1.2.2. requisiti per l'innesco dell'oscillazione e transitorio
1.2.3. Limiti di ampiezza, controllo di frequenza
1.2.4. oscillatori RC, LC, al quarzo, schemi a tre punti
1.3. rumore elettronico (6 ore)
1.3.1. analisi di rumore nei circuiti passivi; rumore nei diodi, BJT e FET noise; rumore 1/f;
1.3.2. analisi di rumore a due-porte, ruolo della resistenza di sorgente, tensione di rumore equivalente in ingresso
1.3.3. cifra di rumore, rumore di ingresso totale a blocchi in cascata
2. SENSORI (30 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 con esempi a trasduttori elettrostatici e magnetici (5 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. sensori termici (3 ore)
2.4.1.1. espansione termica, trasferimento del calore, effetti Seebeck and Peltier
2.4.1.2. termocoppie,
2.4.1.3. sensori a giunzione pn,
2.4.1.4. RTD (sensori a conduttore), Termistori NTC e PTC
2.4.1.5. anemometro a filo caldo
2.4.2. sensori di deformazione (4 ore)
2.4.2.1. resistenza e resistività specifica, sensibilità alla temperatura e alle deformazioni nei conduttori, effetto piezoresistivo,
2.4.2.2. tecniche di condizionamento dei segnali per sensori resistivi (ponti, linearizzazione)
2.4.3. sensori capacitivi (1 ora)
2.4.3.1. esempi di applicazione
2.4.4. sensori magnetici (5 ore)
2.4.4.1. magnetismo (leggi di Faraday, Ampère, induzione),
2.4.4.2. applicazioni (fluxgate, search-coil, LVDT), condizionamento (rilevatore sincrono applicato al fluxgate)
2.4.4.3. effetto Hall e magnetoresistenze
2.4.5. magnetostrizione, applicazioni a attuatori e sensori di posizione (1 ora)
2.4.6. sensori piezoelettrici (6 ore)
2.4.6.1. effetto piezoelettrico, modelli
2.4.6.2. condizionamento dei segnali nel progetto pratico di sensori a bassa-frequenza e alla risonanza
Bibliografia
Raccomandati:
A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES, 4a Ed., 2013
J. Fraden, Handbook of modern sensors, Springer, 3a Ed.
Di consultazione:
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)
Metodi didattici
Ci saranno 33 Lezioni da 2 ore ciascuna.
Saranno proposti nel semestre tre esercizi da svolgere a casa in cui gli studenti saranno tenuti ad applicare la teoria e uno o due quiz in aula non preannunciati.
Le date di consegna dei compiti da svolgere a casa saranno definite il giorno stesso in cui questi verranno assegnati.
I quiz non preannunciati saranno brevi, rifletteranno lezioni recenti e/o compiti/letture assegnate da fare a casa.
I quiz non preannunciati non possono essere ricuperati e non saranno accettati esercizi a casa in ritardo, a meno di adeguata giustificazione (malattia, esame, etc...). Le soluzioni degli esercizi da svolgere a casa devono essere sottomesse in una forma organizzata, professionale e leggibile (gli assi dei grafici con indicazione delle grandezze, unità di misura, simulazioni leggibili, etc.)
Gli appunti delle lezioni e gli articoli scientifici assegnati saranno inseriti periodicamente sulla piattaforma Elly (http://elly.dii.unipr.it/). Per scaricarle è necessaria l’iscrizione al corso online fatta dal docente.
Le note dattiloscritte, le sezioni dei testi raccomandati, gli articoli distribuiti vengono considerate parte integrante del materiale didattico. Più dettagli saranno disponibili durante il semestre sulla piattaforma online.
E’ vivamente consigliato l’uso di Matlab e di Spice
Modalità verifica apprendimento
Valutazione:
Compiti a casa e quiz: 20%
Tutti i compiti a casa e i quiz sono valutati in una scala da 0 a 30 e verranno pesati il 5% ciascun compito a casa e il 5% o il 2.5% i quiz, a seconda che siano uno o due.
Esame orale: 80%
L’esame orale accerta l’acquisizione della conoscenza, della comprensione e delle abilità richieste tramite 3 brevi parti:
1 - l’esposizione di un argomento trattato durante le lezioni (30%)
2 - una conversazione tecnica con il docente volta a far emergere la capacità di affrontare autonomamente un problema di analisi o progettazione (25%)
3 - una discussione col docente di una delle relazioni tecniche che ognuno, in gruppo, ha preparato durante lo svolgimento dell’attività di laboratorio (Modulo 2); la discussione è volta ad accertare la raggiunta capacità di applicare le conoscenze teoriche (25%)
Altre informazioni
Indirizzo: http://elly.dii.unipr.it
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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