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
Inoltre, al termine dell'attività di laboratorio, ci si attende che lo Studente dimostri
1. Abilità software, hardware e di utilizzo della strumentazione:
1.1. Capacità di modellizzare con Spice e Matlab semplici circuiti elettronici e sensori/attuatori.
1.2. Capacità di utilizzo corretto della strumentazione di base da laboratorio.
1.3. Capacità di verifica/comprensione di un setup sperimentale.
1.4. 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).
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
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 piezoelettrici, strumentazione elettronica quale oscillatori e circuiti di condizionamento dei segnali.
Verrà fornita una specifica o una descrizione funzionale, e gli studenti progetteranno il sistema, aiutandosi con SPICE e MATLAB, selezionando i componenti, eventualmente lo realizzeranno e lo caratterizzeranno. L'obiettivo sarà di realizzare progetti funzionali, in modo pragmatico e con attenzione al costo del progetto.
Software utilizzati: LTSPICE e Matlab
Programma esteso
Argomenti di teoria:
1. STRUMENTAZIONE ELETTRONICA (38 ore)
1.1. componenti per il condizionamento dei segnali quali: (Totale: 20 ore)
1.1.1. amplificatori elettronici
- 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
- 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)
- amplificatori operazionali a trans-conduttanza (OTA): caratteristiche
- amplificatori ad isolamento,
- differenziali e per strumentazione (soluzioni comuni a VFA, CFA e OTA)
1.1.2. filtri attivi
- Specifiche
- sintesi di filtri passa-basso di Butterworth e Chebyshev
- trasformazioni di frequenza per la sintesi di filtri passa-alto e passa-banda
- sintesi con sezioni Bi-Lin e Bi-Quad
- Sintesi attiva RC
- Sensitività
1.1.3. circuiti non-lineari (amplificatori logaritmici, moltiplicatori)
1.2. oscillatori sinusoidali (12 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 con OpAmp
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 (34 ore)
2.1. sensori e attuatori: introduzione, modelli a costanti concentrate; (2 ore)
2.2. trasduttori a conservazione di energia, dinamica dei sistemi lineari e non-lineare con esempi a trasduttori elettrostatici e magnetici. (6 ore)
2.3. Elasticità, tensori di sforzo e deformazione, matrici di rigidità e cedevolezza. Elementi di strutture meccaniche (2 ore)
2.4. Principi fisici di trasduzione, modelli e applicazioni
2.4.1. sensori termici (espansione termica, trasferimento del calore, effetti Seebeck and Peltier; termocoppie, sensori a giunzione pn, RTD (sensori a conduttore), Termistori NTC e PTC; anemometro a filo caldo) (10 ore)
2.4.2. sensori di deformazione (resistenza e resistività specifica, sensibilità alla temperatura e alle deformazioni nei conduttori, effetto piezoresistivo; tecniche di condizionamento dei segnali per sensori resistivi (ponti, linearizzazione)) (2 ore).
2.4.3. sensori capacitivi: esempi di applicazione
2.4.4. sensori magnetici (magnetismo: leggi di Faraday, Ampère e induzione; sensori induttivi fluxgate, search-coil, LVDT; condizionamento (rilevatore sincrono applicato al fluxgate); effetto Hall e magnetoresistivo;
sensori di posizione magnetostrittivi) (6 ore)
2.4.5. sensori piezoelettrici (effetto piezoelettrico, modelli, condizionamento dei segnali nel progetto pratico di sensori a bassa-frequenza e alla risonanza) (6 ore)
Il progetto di laboratorio fornisce un'opportunità di consolidare le conoscenze teoriche di elettronica e sensori e di introdurre 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 piezoelettrici, 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, eventualmente 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 consigliati:
A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES, 4a Ed. (sulla 6a in inglese), 2013
J. Fraden, Handbook of modern sensors, Springer, 3a Ed.
Testi di consultazione suggeriti:
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
V. Kaajakari, Practical MEMS, Small Gear Pub., 2009, (ISBN: 978-0-9822991-0-4)
R. Pallas-Areny, J. G. Webster, Sensors and signal conditioning, 2nd ed., J. Wiley & Sons Inc., 2001 (ISBN: 0-471-33232-1)
Practical design techniques for sensor signal conditioning, Analog Devices, http://www.analog.com/
Metodi didattici
Ci saranno 36 Lezioni da 2 ore ciascuna e 2 progetti di laboratorio da sviluppare in gruppi di 2 o 3 studenti nelle 12 settimane del corso (3 ore consecutive ogni settimana).
In aggiunta, saranno assegnati 3 esercizi da svolgere a casa in cui gli studenti saranno tenuti ad applicare la teoria, e 1 o 2 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. Le date di consegna dei rapporti sui progetti di laboratorio sono anch'esse definite sul sito http://elly.dia.unipr.it/.
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.) in lingua inglese.
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 LTSpice
Maggiori informazioni saranno disponibili all'inizio del corso sulla pagina web.
Modalità verifica apprendimento
Valutazione:
Compiti a casa e quiz: 30%
Tutti i compiti a casa e i quiz
sono valutati in una scala da 0 a 30 e verranno pesati l’8% ciascun
compito a casa e il 6% o il 3% i quiz, a seconda che siano uno o due.
Esame orale: 70%
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 (20%)
3. una discussione col docente di una delle relazioni tecniche che ognuno, in gruppo, ha preparato durante lo svolgimento dell’attività di laboratorio; la discussione è volta ad accertare la raggiunta capacità di applicare le conoscenze teoriche (20%)
Altre informazioni
Indirizzo: http://elly.dia.unipr.it
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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