Obiettivi formativi
1. Conoscenza e comprensione
Il corso si propone di fornire una panoramica sulla progettazione e
realizzazione di un sistema elettronico a componenti discreti. In quest’
ambito vengono prese in considerazione le problematiche connesse alla
propagazione dei segnali e all’interferenza che può nascere tra gli stessi,
alla scelta dei materiali da utilizzare in base alla frequenza di lavoro del
sistema. Viene fatta, inoltre, un’analisi delle tecniche esistenti per la
realizzazione di circuiti stampati.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Il corso prevede inoltre, mediante esercitazioni guidate, l’utilizzo del CAD
per la progettazione, simulazione e realizzazione di circuiti stampati.
Per gli obiettivi relativi all’apprendimento della didattica delle scienze e tecnologie elettriche si rimanda all’Allegato B del D.M. 616.
Prerequisiti
Fisica,
Elettrotecnica,
Elettronica
Contenuti dell'insegnamento
- Concetto di Componente
- Elementi parassiti di un circuito
- Spettro di un segnale digitale
- Modelli
- Problemi del cablaggio punto a punto
- Richiami sulle linee di trasmissione
- Problemi di adattamento, Terminazioni
- Progettazione dei Circuiti Stampati
- Distribuzione delle masse e delle alimentazioni
- Integrità dei segnali
- Partizionamento della piastra
- Tecniche di schermatura e messa a terra
- Progettazione Assistita al Calcolatore
- Tecniche di realizzazione e montaggio di un Circuito Stampato
- Attività di laboratorio
Programma esteso
- Concetto di Componente
Maglia di componenti elementari. Componenti in parallelo. Validità delle
Leggi di Kirchhoff
- Elementi parassiti di un circuito
Resistenza parassita. Induttanza parassita. Limiti del modello. Mutue
induttanze. Capacità parassite dei collegamenti.
- Spettro di un segnale digitale
Spettro del segnale di Uscita.
- Modelli
A costanti concentrate. A costanti distribuite. Propagazione dei segnali.
Concetto di Lunghezza efficace.
- Problemi del cablaggio punto a punto
Ringing. Diafonia. Interferenza elettromagnetica.
- Richiami sulle linee di trasmissione
Linea di trasmissione. Linee senza perdite. Microstrip. Impedenza
caratteristica. Linee con perdite. Linee a basse perdite. Linea RC. L’
effetto pelle.
- Problemi di adattamento, Terminazioni
Spezzone di linea di lunghezza L. Resistenza di terminazione.
Terminazione serie. Terminazione parallelo. Terminazione di Thevenin.
Terminazione in AC.
- Progettazione dei Circuiti Stampati
Considerazioni generali. Linea di collegamento su un piano di massa.
Scelta ed assegnazione degli strati. Regola di Rent. Circuiti a doppia
faccia: soluzione interdigitata; soluzione radiale. Multistrato 4x.
Multistrato 6x. La regola 20H. La regola 3W.
- Distribuzione delle masse e delle alimentazioni
Trasmissione dei segnali. Rumore di massa. Rumore sull’alimentazione.
Bypass dell’alimentazione. Definizione dei livelli di bypass: scheda,
componente, piani di alimentazione.
Fori metallizzati (Vias).
- Integrità dei segnali
Il problema della diafonia. Cross Talk per accoppiamento induttivo. Linea
di guardia. Linee di Shunt. Impedenza caratteristica. Linea caricata.
Terminazioni. Terminazioni parallelo. Piste di clock. Accorgimenti di
routing.
- Partizionamento della piastra
Considerazioni generali. Isole, fossati e ponti. Metodo 1: isolamento
galvanico. Metodo 2: ponte sul fossato. Filtri di Segnale (Data Line Filter).
Tecniche assemblaggio. Anelli di guardia. Connettori. Backplanes.
- Tecniche di schermatura e messa a terra
Richiami di Elettrostatica. Capacità e immagazzinamento dell’energia.
Regole di cablaggio e di connessione delle schermature. Compatibilità
Elettromagnetica (EMC). Interferenza Elettromagnetica (EMI).
- Progettazione Assistita al Calcolatore
Panoramica sui Cad per la progettazione di circuiti elettronici.
Realizzazione dello schema elettrico. Simulazione funzionale di un
circuito elettrico. Migrazione dallo schema elettrico verso il PCB (Printed
Circuit Board). Esercitazione in laboratorio all’uso di un pacchetto di
progettazione per circuiti stampati commerciale.
- Tecniche di realizzazione e montaggio di un Circuito Stampato
Scelta dei materiali in base alla frequenza di lavoro del sistema. Stato
dell’arte della tecnologia esistente per la realizzazione di un circuito
elettroniche. Tecniche di montaggio dei componenti sul circuito
stampato.
- Attività di laboratorio
Sono previste esercitazioni di laboratorio sull’uso del CAD per la
progettazione
Bibliografia
[1] “High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic”, Haward W. Johnson, Martin Graham. Prentice Hall, 1993.ISBN 0-13-395724-1
[2] “High-Speed Signal Propagation: Advanced Black Magic”, Haward W. Johnson, Martin Graham. Prentice Hall, 2003.ISBN 0-13-084408-X
[3] “Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation”, Ralph Morrison, 3rd Edition. John Wiley & Sons, 1986. ISBN 0-471-83805-5
[4] “Coombs’ Printed Circuit Handbook”, Clyde F. JR. Coombs, McGraw Hill, 2001. ISBN 0071350160
[5] “Noise Reduction Techniques in Electronic Systems”, Henry W.Ott, Second Edition John Wiley & Sons, 1988 . ISBN 0-471-85068-3
[6] “Complete PCB Design Using OrCAD ® Capture and PCB Editor” Kraig Mitzner, John Newnes, May 2009 . ISBN-13: 9780750689717
[7] “Electromagnetic Compatibility Engineering”, Henry W.Ott, Second Edition John Wiley & Sons, 2009. ISBN 978-0-470-18930-6
[8] Johnson David W., Johnson Roger T., Holubec Edithe J., Apprendimento cooperativo in classe. Migliorare il clima emotivo e il rendimento, Erickson, Trento, 1996.
[9] Jonassen David, Howland Jane, Marra Rose, Crismond David, Meaningful Learning with technology, Pearson Education, Upper Saddle River – New Jersey – Columbus – Ohio, 2008.
Metodi didattici
Lezioni teoriche (40% della durata del corso)
Esercitazioni in laboratorio con CAD (60% della durata del corso)
Modalità verifica apprendimento
La valutazione sommativa degli apprendimenti prevede due momenti:
1) una prova scritta semistrutturata a cinque/sei domande chiuse. Durante la prova scritta viene richiesto allo studente di rispondere a domande relative agli argomenti teorici trattati a lezione (peso dell’item 30pt);
2) un progetto di un sistema elettronico scelto dallo studente da svolgere individualmente o in gruppo utilizzando un CAD di progettazione specifico; il progetto deve inoltre essere accompagnato da una relazione tecnica riportante le caratteristiche tecniche del sistema progettato e una valutazione economica dei costi di progettazione e realizzazione di un piccolo numero di prototipi (peso dell’item 30pt);
L’esito delle due prove contribuisce alla valutazione finale nella misura del 65% e 35% rispettivamente.
Le date delle prove parziali saranno concordate dal docente con gli studenti. Le date ufficiali degli appelli sono da considerarsi indicative e possono variare previo l’accordo tra docente e studenti.
Altre informazioni
La prova d'esame scritta si svolgerà al termine delle lezioni e consiste in:
- una verifica scritta per la valutazione dell'apprendimento degli aspetti teorici e (domande a risposte chiuse).
- un progetto di un sistema elettronico svolto a piccoli gruppi di due/tre studenti; in questo caso oltre al disegno dello schema elettrico e del relativo circuito stampato, dovrà essere prodotta una relazione tecnica con la descrizione del progetto effettuato.
Alla valutazione finale la prova scritta contribuisce per 65%, mentre
il progetto con relazione finale per il restante 35%.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
