A1a - Presentazione del corso Sistemi Elettronici · 6/7- modalità d’esame Il voto finale è una...

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A1a - Presentazione del corso (modulo) Sistemi Elettronici

1/2- Obiettivi del modulo

Concetti base e metodologie caratterizzanti l’Elettronica:• decomposizione di un sistema in unità funzionali,

definite tramite parametri ai morsetti (modelli),• principio e uso della reazione,• differenza tra segnali e tecniche

analogiche e numeriche,• diverse possibilità realizzative per sistemi elettronici.

A1a - Presentazione del corso Sistemi Elettronici

2/2- Percorso del modulo

SISTEMI

SISTEMI

impostazione

componenti analogici

progettazione

componenti digitali

A

B

C

D

E

F


A1a - Presentazione del corso Sistemi Elettronici

3/2- Struttura del modulo

Gli argomenti sono raccolti in gruppi di lezioni:– gruppo A: introduzione (lezione di oggi)– gruppo B: moduli analogici– gruppo C: amplificatori operazionali integrati– gruppo D: moduli digitali– gruppo E: circuiti combinatori e sequenziali integrati– gruppo F: sistemi elettronici analogici e digitali

Complessivamente, da fine novembre a fine gennaio:42 ore di lezioni ed esercitazioni in aula,18 ore di laboratorio (per squadra, 2 squadre)~70 ore di lavoro personale (homework)


A1b - Informazioni organizzative

1/7- obiettivi lezione odierna

• Dare informazioni logistiche e organizzative sulmodulo

–Contenuti, struttura, calendario di massima–Materiale didattico–Esercitazioni laboratorio–Homework–Modalità d’ esame e criteri di valutazione

• Avviare al metodo di scomposizione top-down di unsistema e addestrare ad individuarne i modulifunzionali

• Presentare i tipi di segnale presenti in un sistema, conle loro caratteristiche e parametri


2/7- materiale didattico

• testo di riferimento:R.C. Jaeger: MICROELETTRONICAMcGraw Hill (IT) 1998

meglio l’edizione inglese !

• sito web (servizio Ulisse)copie di questi lucidimanuali e guideesercizi suggeriti e risoltiSW per simulatori



3/7- esercitazioni di laboratorio e homework

Laboratorio–labetiquette–manuale e guida per le esercitazioni–circuiti premontati–lavoro di gruppo–relazioni

Homework–esercizi–simulazioni


4/7- esercitazioni di laboratorioL’ingegnere lavora raramente da solo; lacapacità di collaborareè una dote importante nel lavoro reale.Occorre imparare acollaborare in modo efficace;le esercitazioni di laboratorio puntano anche ad abituare allavoro organizzato e coordinato:l’ esecuzione dell'esperienza e la stesura della relazione sonocompiti collettivi del gruppo di allievi.I contenuti sono calibrati in modo da poter essere completati neltempo assegnato soloorganizzando preventivamente il lavorotra i componenti del gruppo.



5/7- esercitazioni di laboratorio

Le attività da suddividere sono:• l’assegnazione dei compiti• il collegamento delle apparecchiature• la verifica dei collegamenti• l’ acquisizione delle misure• la relazione scritta


6/7- modalità d’esame

Il voto finale è una combinazione dei voti di scritto, dilaboratorio, [orale]

L’esame scritto è composto da esercizi numerici edomande a risposta chiusa

La valutazione delle relazioni di laboratorio è uguale per glielementi del gruppo, ma ogni elemento è penalizzato perper le proprie assenze.

L’ orale è opzionale, a richiesta dello studente, ed èsostenibile solo se scritto >= 18



7/7- prerequisiti

Per seguire il modulo sono richieste conoscenze di:elettrotecnica–risoluzione di reti RLC con generatori pilotati–metodo simbolicomatematica–sistemi di equazioni lineari,–equazioni differenziali–serie di Fourierinformatica–algebra di Boole

A1c - metodo di scomposizione di un sistema

1/7- ripresa obiettivi del gruppo A


–Contenuti, struttura, calendario di massima–Materiale didattico–Esercitazioni laboratorio–Homework–Modalità d’ esame e criteri di valutazione–Auto-verifica dei prerequisiti

• Avviare al metodo di scomposizione top-down di unsistema



A1c – metodo di scomposizione di un sistema

2/7- definizione di sistema

Per essere certi di essere di fronte ad un sistema occorreverificare che:

• esistano più parti separabili• le parti siano in qualche modo interconnesse• le interconnessioni abbiano uno scopo comune di

funzionamento

Per lavorare sul concreto, utilizziamo un esempio-guida:sistema per il controllo automatico della velocità dell’alberodi una pompa rotante. (per rapidità lo chiameremo RAV:Regolatore Automatico di Velocità)


3/7- che cosa deve fare il RAV ?

Il RAV deve rispettare un certo numero di esigenze:1. accettare dall’operatore l’imposizione della velocità

desiderata, scelta in una fascia di valori;2. ottenere tale valore sull’albero della pompa entro la

tolleranza di un errore massimo accettato;3. mantenere tale valore (entro l’errore tollerato) al

variare di un certo numero di disturbi esterni, quali latemperatura del fluido, il dislivello superato…;



4/7- quali oggetti possono costituire il RAV ?


5/7- come si può rappresentare il RAV in modo astratto ?

MOTOREregolato

Vm=K(Vn-Vn')

Vn'

ALBEROrotante a n

DINAMOdi misura

Vn

ELETTRONICAdi controllo

DATOREDI SET Vn-Vn'

POMPA

MOTORE

n Vn

n'

Vn'

Vn-Vn'

DINAMO

Vm=(Vn-Vn')×K

DATOREDI SET

ELETTRONICA DICONTROLLO

Cf



6/7- come si può rappresentare il RAV in modo più astratto ?


7/7- riassumendo

Il sistema RAV comprende in generale

1. un DATORE DI SET, che l’operatore usa per dare alsistema il valore desiderato della velocità n, in formaelettrica En ;

2. un SENSORE, che misura la velocità istantanea n’,in forma elettrica En’ ;

3. un ATTUATORE, che riceve una sollecitazioneelettrica Ea ed un disturbo di coppia frenante Cf,e provvede a generare la velocità regolata n’ ;

4. un’ ELETTRONICA DI CONTROLLO, che calcolal’errore En-En’ , e lo elabora [Ea =f (En-En’)] perfornire il pilotaggio Ea all’attuatore

ATTUATORE

n En

n'

En'

En-En'

SENSORE

Ea=f(En-En')

DATOREDI SET

ELETTRONICA DICONTROLLO

Cf


A1d – Metodi di progettazione di sistemi complessi

1/5 – perché cominciamo dai sistemi e non dai componenti

Un sistema elettronico è visto dal progettista come uninsieme di moduli interconnessi.

Entro i moduli troviamo i componenti elementari: circuitiintegrati, transistori, resistenze, condensatori…

La maggior parte dei progettisti di sistemi elettronici utilizzamoduli e componenti costruiti da altri.

Per utilizzare un modulo serve conoscere ilcomportamento esterno, non la struttura interna.


2/5 – progetto top-down

Progettare una applicazione vuol dire definire il sistema ele sue relazioni con il mondo esterno.

Si segue una procedura top down per definire• sia che cosa voglio fare: specifica dei requisiti• sia come lo attuo: progetto dell’architettura

Progettare un sistema vuol dire definire• i segnali scambiati tra il sistema ed il mondo esterno,• le funzioni necessarie al sistema,• i moduli (HW e SW) e l’allocazione delle funzioni ,• la definizione delle interconnessioni



3/5 – Context diagram


4/5 –sistema controllo velocità

context diagram

MID0 – sistema controllo velocità

regolatorevelocità

1

vel_c

Amp.Pote motore

3com

dinamotachim.

4vel

Cfr

set_c

datore diset2

set

sirenaallarme

5all_c

all

trasmet-titore RF

6

TM_all_c

sistemacontrollovelocità

0

operatore

set_c

pompa

vel_c

Cfr

antenna

TM_all_c

all_c



5/5 – regolatore velocità

A1e – Il modulo per l’alimentazione

1/3 – alimentazione

Un sottosistema sempre presente e fondamentale per ilbuon funzionamento del sistema è ilsottosistema di alimentazioneIn un sistema elettronico circolano infatti

• segnali (trasportano informazione)• alimentazioni (trasportano l’energia richiesta per il

funzionamento)

MID1 – regolatore velocità

circuitodifferenz 1.1

set

com

vel

circuitoamplific. 1.2

err

circuitoderivat. 1.4

circuitointegrat. 1.3

circuitosommat. 1.5

err i

err d

err p

circuitoallarme 1.6all



2/3 – obiettivi alimentazione

L’energia richiesta per il funzionamento vienegeneralmente distribuita come tensione continua.Per sistemi portatili (es. cellulari)–specifiche

• minime perdite nei circuiti alimentati• massima autonomia delle batterie• massima rapidità della ricarica• minimo inquinamento delle batterie

–moduli necessari• batteria/caricatore• alimentatore da rete• regolatori e disaccoppiatori• circuiti di accensione• gestione della potenza


3/3 – obiettivi alimentazione

Per sistemi fissi (es. RAV)

–specifiche• buon rendimento dei circuiti di potenza alimentati (Amp.Pot.)• alimentazione dalla rete, con possibilità di sopportare

interruzioni di alimentazione• isolamento del sistema dai disturbi presenti in rete

–moduli necessari• alimentatori da rete• regolatori e disaccoppiatori• circuiti di accensione• gestione della potenza• circuiti di allarme preventivo in caso di guasti-deriva


A1f – I segnali nei sistemi elettronici

1/2- ripresa obiettivi del gruppo A


–Contenuti, struttura, calendario di massima–Materiale didattico–Esercitazioni laboratorio–Homework–Modalità d’ esame e criteri di valutazione–Auto-verifica dei prerequisiti

• Avviare al metodo di scomposizione top-down di unsistema


A1f - I segnali nei sistemi elettronici

2/2- impostazione degli argomenti

• Quali sono i tipi di segnale in un sistema ELN• Quali sono i parametri che descrivono un segnale• Come si rappresenta un segnale dei domini del

tempo e della frequenza• Quale differenza sussiste tra segnali analogici e

digitali• Come appare tale differenza, considerando

- il segnale affetto da rumore,- la degradazione del segnale e suo recupero

• Quali sono i vantaggi della tecnologia digitale.

N.B. ci interessiamo soltanto dei segnali elettrici


A1g – Diversi tipi di segnali presenti nel RAV

1/12- analisi segnali non elettrici in CD del modello architetturale


2/12- analisi segnali elettrici in CD del modello architetturale


0

operatore

set_c

pompa

vel_c

Cfr

antenna

TM_all_c

all_c

set_c non è un segnale elettrico, èl’azione dell’operatore sullamanopola del datore di set

vel_c non è unsegnale elettrico,è la velocitàdell’albero

Cfr non è un segnaleelettrico, è la coppiafrenante applicata dallapompa al motore


0

operatore

set_c

pompa

vel_c

Cfr

antenna

TM_all_c

all_c

TM_all_c è un segnaleelettrico sinusoidale,che pilota l’antennatrasmittente f=1GHzV=100V FM

all_c non è un segnaleelettrico, è il segnaleacustico emesso dallasirena (800Hz)



3/12- analisi segnali in MID0 del modello architetturale



regolatorevelocità

1

vel_c

Amp.Pote motore

3com

dinamotachim.

4vel

Cfr

set_c

datore diset2

set

sirenaallarme

5all_c

all

trasmet-titore RF

6

TM_all_c

all_son

set è una tensionelentamente variabile, f<1Hz,0..10V

com è la tensione prop.al comando motore,f>10Hz, -10..10V

vel è latensione dimisura dellavelocitàf<10Hz, 0..10V

regolatorevelocità

1

vel_c

Amp.Pote motore

3com

dinamotachim.

4vel

Cfr

set_c

datore diset2

set

sirenaallarme

5all_c

all

trasmet-titore RF

6

TM_all_c

all_son

all_son è la tensione dipilotaggio sirena f=800HzV=24V

all è la tensioneche informa‘allarme presente’e modula iltrasmettitore1 bit 0..14V





6/12- forma d’onda in f(t) di segnale acustico

Nei circuiti associati alla sirena sono presenti segnali audiov(t) = V sen (ωt + ϕ)V = valore di picco in Vω = pulsazione in rad/s, (frequenza f = ω/2π, in Hz)ϕ = fase in rad

Esempio: all_son (f=800Hz V=24V efficaci! )v(t) = 34 sen(5000t + ϕ)

circuitodifferenz 1.1

set

com

vel

circuitoamplific. 1.2

err

circuitoderivat. 1.4

circuitointegrat. 1.3

circuitosommat. 1.5

err i

err d

err p

circuitoallarme 1.6all

all_son

err è la tensione di misuradell’errore f<10Hz, -10..10V

err_d è la tensionedi errore derivataf<100Hz, -10..10V

err_i è latensione dierrore integrataf<1Hz, -10..10V

err_p è latensione di erroreamplificataf<1Hz, -10..10V

t

v(t)

1.25 ms



7/12- forma d’onda in f(t) di segnale continuo lentam. variabile

Nei circuiti associati a sensori ed attuatori sono presentisegnali continui lentamente variabili

Esempio: vel (f<10Hz V=0..10V )


8/12- forma d’onda in f(t) di segnale radio

Nei circuiti associati all’antenna sono presenti segnali RFv(t) = V sen (ωt + ϕ)V = valore di picco in Vω = pulsazione in rad/s, (frequenza f = ω/2π, in Hz)ϕ = fase in rad

Esempio: TM_all_c (f=1GHz V=100V )v(t) = 141 sen(6.28109 t + ϕ)


9/12- forma d’onda in f(t) di segnale digitale

t

v(t)

0.1s

10V

t

v(t)

1ns


Nei circuiti di allarme sono presenti segnali di tipo digitale(numerico).Un segnale digitale binario è un segnale analogico che usasolo due livelli di tensione per rappresentare i due livellilogici 0/1 (meglio H/L->High/Low).

Esempio: all1bit 0->Low->allarme assente 1->High->allarme presente


10/12- forma d’onda in f(ω) di segnale acustico

Lo spettro del segnale acustico all_son (f=800Hz V=24V)è formato da una sola riga a 5 krad/sIl suono è più efficace se ricco di armoniche:


11/12- forma d’onda in f(ω) di segnale continuo lentam. variabile

Lo spettro del segnale vel (f<10Hz V=0..10V )è continuo, non essendo periodica la f.d.o.ed occupa una zona di ω inferiore a 63 rad/s

Vsoglia

! Low "!H" ! Low

5 10 15 20 ω (krad/s)

V(V)



12/12- forma d’onda in f(ω) di segnale radio

Lo spettro del segnale RFTM_all_c (f=1GHz V=100V )è formato da una riga a 6.28 Grad/s per la portanteLa modulazione aggiunge uno spettro molto strettoconseguenza della modulazione

A1h – Considerazioni sui segnali analogici

1/2- relazione fra rappresentazioni in f(t) ed in f(ω)

ω (rad/s)

V(V)

100

10 ω (Grad/s)

V(V)

v(t) t

ω

A(ω)


A1h – Considerazioni sui segnali analogici

2/2- relazione fra rappresentazioni in f(t) ed in f(ω)

A1i – Confronto fra analogico e digitale

1/5- il segnale analogico

Il segnale analogico è continuo• è definito per qualsiasi valore di tempo

entro un dato intervallo di tempo• può assumere qualsiasi valore di ampiezza

entro un dato intervallo di ampiezza

t

ω

t

ω

t

ω

v(t)A(ω)


I parametri che definiscono un segnale analogico sono:• l’intervallo di ampiezza,

» valore max e min» eventuale componente continua

• il contenuto spettrale» limiti di banda,» forma dello spettro


2/5- rappresentazione del segnale analogico


3/5- il segnale digitale

Il segnale digitale è discreto, come una sequenza dinumeri

• è definito solo per alcuni valori di tempoentro un dato intervallo di tempo

• può assumere solo alcuni valori di ampiezzaentro un dato intervallo di ampiezza

ω

A(t)

A(ω)

t


8 10 20 15 1201000 01010 10100 01111 01100

t = 0 1 2 3 4 ms


4/5- rappresentazione del segnale digitale

01000 01010 10100 01111 01100


5/5- conformazione del segnale digitale

Il segnale può comprendere uno o più bit (N)I diversi bit possono essere inviati

• sequenzialmente(bit su unico filo, in tempi successivi)

• parallelamente

0 1 2 3 4 µs

MSB

LSB


(bit su più fili nello stesso tempo)

A1l – Considerazioni sul rumore

1/3- segnale analogico e rumore

• A ogni segnale analogico è sempre sovrapposto unrumore

• Il rumore non trasporta informazione utile• Ogni passo di amplificazione o elaborazione

aggiunge rumore• Per il segnale analogico il rumore determina una

degradazione dell’informazione, fino a rendereirrecuperabile l’informazione originaria


2/3- segnale digitale e rumore

Il cosiddetto segnale digitale è un segnale analogicoa soli due livelli.

Anche il segnale digitale è affetto da rumore.


Dal segnale digitale degradato da rumore è possibile ilrecupero dell’informazione originaria, entro ampi limiti.

Il metodo per il recupero si fonda sulla comparazione delsegnale degradato con una soglia fissa: il risultato dellacomparazione è un segnale digitale “ripulito” dal disturbo.


3/3- ricostruzione del segnale digitale

A1m - Vantaggi della tecnologia digitale

1/7- recupero dell’informazione dal rumore

• Per un segnale digitale gli effetti del rumore non sonocumulativi, perchè il segnale può essere ripristinato aintervalli regolari lungo la catena di elaborazione.


• Ciò consente di eseguire sul segnale catene dioperazioni complesse.

• Perchè non vi sia perdita di informazione il rumoredeve essere limitato.

Simulatori degli effetti del rumore sui segnali analogici edigitali disponibili sul sito


2/7- conversioni A/D e D/A

I segnali fisici sono prevalentemente analogici.L’interfaccia col mondo esterno di un sistema saràprevalentemente analogica.I sistemi di elaborazione sono prevalentemente digitali.

E’ necessario e possibile convertire un segnale analogicoin digitale (numerico) con un modulo diCONVERSIONE ANALOGICO/DIGITALE (A/D)e convertire un segnale digitale (numerico) in analogicocon un modulo diCONVERSIONE DIGITALE/ANALOGICO (D/A)


3/7- conversioni A/D e D/A

La maggior parte dei sistemi elettronici comprende:• interfacce analogiche verso il mondo esterno


(front-end, sensori)• conversione A/D• trattamento del segnale numerico• conversione D/A• interfacce analogiche verso il mondo esterno

(back-end, attuatori)


4/7- sistemi di elaborazione


5/7- il nostro sistema RAV



6/7- il nostro sistema RAV


7/7- la specifica del SW del nostro sistema RAV

MOTOREregolato

Vm=K(Vn-Vn')

Vn'

ALBEROrotante a n

DINAMOdi misura

Vn

microelaboratoredi controllo

DATOREDI SET

calcola

set velelaboramodointegrat. 1.3 err i

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