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Sistemi Elettronici Introduzione e richiami

© 2005 Politecnico di Torino 1

Amplificatori e doppi bipoli



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Amplificatori e doppi bipoli

Introduzione e richiami

Simulatore PSPICE

Tipi di amplificatori e loro parametri

Amplificatori Operazionali e reazione negativa

Amplificatori AC e differenziali

Amplificatori Operazionali reali

Misure su circuiti con amplificatori

Esempi ed esercizi




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Obiettivi e organizzazione del modulo

Materiale didattico e prerequisiti

Moduli funzionali

Segnali in tempo e in frequenza

Segnali analogici e numerici

Vantaggi della tecnologia digitale

riferimenti nel testo: Cap. 1

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Corsi di Elettronica di base

Concetti base e metodologie, funzioni dei moduli, segnali e interfacciamento

SISTEMI ELETTRONICI

Matematica, informatica, elettrotecnica, fisica



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ELETTRONICHE SPECIALISTICHE


Corsi di Elettronica di base

Concetti base e metodologie, funzioni dei moduli, segnali e interfacciamento

Struttura interna dei moduli, modelli, componenti, tecnologie

Applicazioni specifiche dell’area (informatica, tlc, …)

SISTEMI ELETTRONICI


Matematica, informatica, elettrotecnica, fisica

COMPONENTI E TECNOLOGIE

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Corso “Sistemi Elettronici”

SISTEMAAPPLICAZIONE

STRUTTURA COMPONENTI TECNOLOGIA

MODULOFUNZIONE

Corso di “Sistemi …”

Corso di “Dispositivi …”



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Struttura di questo corso

A introduzione, moduli analogici, amplificatori operazionali

B moduli digitali, circuiti combinatori,sistemi sequenziali

C sistemi misti A/D, metodi di progetto,architetture

Dante Del corso

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Danilo DemarchiC sistemi misti A/D, metodi di progetto,architetture



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Mariagrazia GrazianoC sistemi misti A/D, metodi di progetto,architetture

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Organizzazione di ciascuna unità

Indicazione dei prerequisiti e degli obiettivi

Lezioni conelementi di teoriaesempi ed esercizidocumenti esterni

informazioni di dettaglio o aggiuntiveaperti con hotwords nelle slidestampabili prima di seguire la lezione

domande di riepilogo

Lezione dedicata esclusivamente ad esercizi



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Esempi, esercizi, test

Esempiproblemi completamente svolti, dalle specifiche al risultato numerico

Esercizivengono fornite le specifiche e i risultati, con indicazioni sulla soluzione

Testdomande al termine di ogni lezioneviene indicato dove si può trovare la risposta

verificare la comprensione dei punti chiave

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Scopo di esercizi e test

principio base:

I guasti devono essere individuati prima possibileprima della consegna al cliente finale



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Scopo di esercizi e test

principio base:

I guasti devono essere individuati prima possibileprima della consegna al cliente finalelacune e “incomprensioni” vanno correttePRIMA dell’esame

Scopo dei testindividuare prontamente eventuali lacune

Scopo degli esercizi applicare la teoria a nuove situazioni

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Esercitazioni di laboratorio

l’ingegnere utilizza modelli matematici per descrivere/progettare il comportamento del mondo fisico

la correttezza di un modello deve essere verificata con esperimenti



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Esercitazioni di laboratorio

l’ingegnere utilizza modelli matematici per descrivere/progettare il comportamento del mondo fisico

la correttezza di un modello deve essere verificata con esperimenti

Il corso comprende esercitazioni di laboratorio, con l’obiettivo di

verificare correttezza e limiti dei modelli usatiabituare al lavoro sperimentale e all’uso degli strumenti




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Obiettivi e organizzazione e del modulo


Moduli funzionali





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Testi di riferimento

R.C. Jaeger, T.N. Blalock: MICROELETTRONICAMcGraw Hill (IT) 2004

riferimenti in ciascuna lezione



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Testi di riferimento

R.C. Jaeger, T.N. Blalock: MICROELETTRONICAMcGraw Hill (IT) 2004

riferimenti in ciascuna lezione

altri testi adeguati:J. Millman, A. Grabel: Microelectronics (II ed.), McGraw Hill/Boringhieri

A.Sedra, K.Smith: Circuiti per la microelettronica, Saunders publishing/Ediz. Ingegneria 2000.

Per tutti meglio l’edizione inglese !

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Altro materiale didattico

CD con videolezioniesercizi e test di autovalutazioneesempi di scritti di esamedocumenti di approfondimento

Materiale in retecollocazione indicata nei tutorativersioni aggiornate di quanto presente sul CD

Materiale per il corso in presenzastessi contenuti, esami molto simili



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Materiale dai corsi in presenza

Sviluppato dal gruppo di docenti di Sistemi Elettronici

Disponibile attraverso il portale della didattica o il servizio Ulisse

eserciziesempi di scritti di esamescritti di esame risoltimanuali di laboratoriosimulatori

credits

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Prerequisiti

Matematicasistemi di equazioni lineariequazioni differenzialiserie di Fourier

Elettrotecnicarisoluzione di reti RLC con generatori pilotatimetodo simbolico

Informaticaalgebra di Boole



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Verifica dei prerequisiti

E’ disponibile un test di prerequisitiobiettivo:

valutare se si è in grado di seguire proficuamente il modulo,selezionare cosa è bene ripassare

Stampare e compilare il modulo:domande a risposte multiple dedicare alla compilazione 20’

Verificare le soluzioni




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Moduli funzionali





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Sistemi elettronici e moduli

Un sistema elettronico è fatto di moduli interconnessi



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Come usare i moduli

La maggior parte dei progettisti utilizza moduli e componenti costruiti da altri

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Perché iniziamo dai sistemi ?

Per usare un modulo occorre conoscere ilcomportamento esterno, non la struttura interna

cosa fa il modulo ?FUNZIONE



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quanta e quale energia richiede ?ALIMENTAZIONE

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come parla con gli altri moduli ?SEGNALI



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Oggetto dell’analisi

Come possiamo analizzare, capire, progettareoggetti complessi ?

Come possiamo descriverefunzioni e strutture ?

analisi della strutturacome è fatto ?

scomposizione funzionalecosa fa ?

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Sistema di riferimento

Sistema di riferimento per questa lezione:

telefono cellulare

sistema complesso(~100.000.000 transistori)

campionario di diversiaspetti dell’elettronica

funzioni diversificate

tecnologie moderne



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Scomposizione funzionale

MODULIFUNZIONALI

SENSORItastiera,microfono,antenna,..

ATTUATORIauricolare,display,antenna,...

SISTEMA ELETTRONICO(telefono cellulare)

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Struttura: schema a blocchi

Vista dettagliata



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MICROP.DSP,MEM

TRASDUTTORI: AP, MK,

TASTIERA, DISPLAY

RICEVITOREDEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI ANTENNA

Schema a blocchi comprensibile

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

ALIMENTAZIONE

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Blocco 1: deviatore di antenna

HARMONICFILTER

GSM

DCS

PCS

ANTENNASWITCH

Tx EN

GSM ENDCS EN

PCS EN

RC

Filter

ANTENNA

TX (PA)

RX



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Deviatore di antenna: funzione

DescrizioneFUNZIONALE

Commutarel’antenna tratrasmettitori e ricevitori

Gruppo di modulicorrelati a questaspecifica funzione

HARMONICFILTER

GSM

DCS

PCS

ANTENNASWITCH

Tx EN

GSM ENDCS EN

PCS EN

RC

Filter

ANTENNA

TX (PA)

RX

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Schema elettrico del deviatore

Sono riconoscibilicomponenti elementari(R, C, FET) e le lorointerconnessioni

ANTENNASWITCH

Deviatore di antenna: schema

V3

Rx3 Rx2

V2

Tx Rx1

V1

Ant



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Deviatore di antenna: struttura

Aspetto fisico del deviatore; all’interno sono presenti resistenze, condensatori, transistori collegaticome indicato nello schema elettrico

ANTENNASWITCH

V3

Rx3 Rx2

V2

Tx Rx1

V1

Ant

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MICROPDSP,MEM,

...

Altri moduli

Amplificatori, filtri

Oscillatori

Convertitori A/D e D/A

Memoria, microprocessori

Interfaccia display, SIM

….

A/D

D/A

ALT

RI

MO

DU

LI

TASTIERA, DISPLAY, AURICOLARE, ANTENNA, ...



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43

Da dove arriva l’energia ?

Segnali (trasportano informazione)Alimentazioni (trasportano energia)

L’energia richiesta per il funzionamento viene distribuita come tensione continua

Val

GND

INFOIN

INFOOUT



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Sottosistema di alimentazione

Obiettiviridurre la produzione di caloremassima durata e rapida ricarica delle batterieminimo inquinamento (batterie)

Modulialimentatore da rete, regolatori, caricabatteriebatteriacircuiti per distribuzione e gestione della potenza

E’ un sottosistema complesso !

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Cosa sono i “segnali” ?

Nei sistemi elettronici l’informazione è associata a grandezze elettriche

tensionicorrentifrequenza….

Queste grandezze sono i segnali

Per trasportare informazione occorrono variazionidelle grandezze che rappresentano segnali




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Moduli funzionali





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MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Diversi tipi di segnale



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MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazioneFM o PM


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MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnali analogicibassa frequenza300 Hz-3 kHz




52

MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnali digitali1 bit/N bit


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MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Alimentazione: tensionicontinue stabilizzate, per tutti i moduli




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Segnali analogici a bassa frequenza

MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnali analogicibassa frequenza300 Hz-3 kHz

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Segnali audio

Nei circuiti associati a microfono e auricolaresono presenti segnali analogici a bassa frequenza(audio)

Banda audio telefonica:frequenze da 300 Hz a 3 kHz

Banda audio HiFifrequenze da 20 Hz a 20 kHz



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Esempio: segnale sinusoidale (tono)

v(t) = V sen (ωt + φ)V = valore di picco (volt, V)ω = pulsazione (radianti/secondo), (frequenza f = ω/2π, in Hz; periodo T = 1/f)φ = fase (radianti)

tempo

V(t)

2 msTono a 500 Hz

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Altri segnali analogici

Triangolare

Vocesomma di componentisinuosoidali, a frequenzetra 300 Hz e 3 kHz

Altre forme d’onda



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MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


Segnali a frequenza elevata

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnale a radiofrequenza800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM

ALIMENTAZIONE

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Segnali a radiofrequenza

Nei circuiti in prossimità dell’antenna sonopresenti segnali sinusoidali a radiofrequenza(frequenza elevata: 800 MHz - 1,8 GHz circa)

amplificatori e interconnessioni particolari.

esempio: segnale non modulato a 800 MHz

(2 ms per segnale audio)

tempo1 ns

tabella riassuntiva



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asse X: tempo

asse Yampiezza

Strumento: oscilloscopio

Rappresentazione in tempo

Un segnale può essere visualizzato in funzionedel tempo:

61

asse YampiezzaStrumento:

analizzatoredi spettro

asse X: frequenzaf = 0

Rappresentazione in frequenza

Un segnale può essere visualizzato indicando le sue componenti in funzione della frequenza

fondamentale

II armonica

III armonica

Rumoredi base

Componentecontinua (DC)



62

t f0 banda

Legame tempo - frequenza

Variazioni rapide del segnale corrispondono a componenti a frequenza elevata

criteri generali




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Moduli funzionali





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Segnali analogici

Il segnale analogico è continuoin tempo: definito per qualsiasi istante di tempo (entro un intervallo)in ampiezza: qualsiasivalore (entro un intervallo)

Parametri:intervallo di ampiezza

max e min (dinamica),

contenuto spettralelimiti di banda, forma dello spettro



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MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


Segnali digitali

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnali digitali1 bit/N bit

ALIMENTAZIONE

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Segnali digitali reali

Il segnale digitale è una sequenza di numeri, generalmente in base 2



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discreto in tempo: è definito solo per alcuni istantidi tempo entroun intervallo

t1t2t3t4t5

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discreto in tempo: è definito solo per alcuniistanti di tempo entro un certo intervallo

discreto in ampiezza: può assumere solo alcuni valori entro un certo intervallo

8 bit, 28 = 256 valori



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Limiti della rappresentazione digitale

I valori sono definiti solo a determinati tempi:campionamento

intervallo tra campioni Ts, Fs = 1/Tsrappresentabili segnali con banda Fa < Fs/2 (criterio di Nyquist)

esempio: Fs = 20 kHz, Fa = 10 kHz

Il numero di valori rappresentabili è limitatoquantizzazione:

N bit : 2N valori

simulatore degli effetti della quantizzazione

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Ts

valore

H

L

tempo

Segnali binari nel tempo

L’evoluzione nel tempo di un segnale binarioè rappresentata da una sequenza di bit:

due livelli 1/0, o H/L (1 bit) (discreto in ampiezza) definito a intervalli Ts (discreto nel tempo)



72

Ts

valore

H

L

tempo

Diagrammi temporali

La rappresentazione discreta (punti) diventa un diagramma temporale, analogo a quello utilizzatoper i segnali analogici

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Rappresentazione degli stati logici

Gli stati logici (H/L, 0/1, …) sono rappresentaticon tensioni (V), con una regola ben definita:

stato alto, H, 1, ... → 3 Vstato basso, L, 0, ... → 0,5 V

3 V

H L

t

H H L

0,5 V

1 0 1 1 0




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Moduli funzionali







76

L’informazione è spessoassociata all’ampiezza di un segnale, ma …

Rumore e disturbi

77

… a ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore di entità variabile

Rumore e disturbi



78

… a ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore di entità variabile

il rumore NON trasporta informazione utile

Rumore e disturbi

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Degrado del segnale analogico

Ogni passo di amplificazione o elaborazioneaggiunge rumore



80


Ogni passo di amplificazione o elaborazioneaggiunge rumore

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Ogni passo di amplificazione o elaborazioneaggiunge rumorePer il segnale analogico il rumore determina unadegradazione non recuperabile dell’informazione



82

Degrado del segnale digitale

Nel segnale digitale la degradazione del segnaledovuta al rumore è ancora presente

83


Nel segnale digitale la degradazione del segnaledovuta al rumore è ancora presente



84


Nel segnale digitale la degradazione del segnaledovuta al rumore è ancora presente ma recuperabile (se contenuta entro certi limiti)

85

Grazie alla discretizzazionein ampiezza del segnale digitale, è possibilericostruire ilvalore originarioconfrontando ilsegnale con unasoglia

Ripristino del segnale digitale



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Recupero del segnale digitale

Il segnale digitale può essere ripristinato a intervalli regolari, quindi

gli effetti del rumore non sono cumulativi

Questo consente di eseguire sul segnale catenedi operazioni complesse (con tecniche digitali)

Perché non vi sia perdita di informazioneil rumore deve essere limitatoil segnale deve essere periodicamente ricostruito.

simulatori degli effetti del rumore sul sito Ulisse

87

Interfaccia verso il mondo esterno

I segnali fisici (trasduttori e attuatori) sonoprevalentemente analogici

L’interfaccia tra elettronica e mondo esterno deveessere di tipo analogico

SISTEMAELETTRONICO

SEGNALI ANALOGICI



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SISTEMA ELETTRONICO

Sequenza A/D/A

L’elettronica è prevalentemente digitaleoccorre convertire i segnali da analogici a numerici, e viceversa:

conversione ANALOGICO/DIGITALE (A/D)conversione DIGITALE/ANALOGICO (D/A)

SISTEMANUMERICOA/D D/A

SEGNALI ANALOGICI

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Sequenza A/D/A

Un sistema elettronico comprende una catena di unità funzionali:

interfacce verso il mondo esterno analogico(sensori, trasduttori IN)

trattamento analogico del segnaleconvertitori A/Dtrattamento numerico del segnaleconvertitori D/Atrattamento analogico del segnale

interfacce verso il mondo esterno analogico(attuatori, trasduttori OUT)



90

SISTEMANUMERICO

SENSORI (ANALOG.) A/D D/A ATTUATORI

(ANALOG.)

Sequenza A/D/A

Più in dettaglio

91

Dove va l’elettronica

DaSENSORI (ANALOG.) A/D D/A

ATTUATORI (ANALOG.)

SISTEMANUMERICO



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Dove va l’elettronica

Da

aSENSORI (ANALOG.) A/D D/A ATTUATORI

(ANALOG.)

SENSORI (ANALOG.) A/D D/A

ATTUATORI (ANALOG.)

SISTEMANUMERICO

SISTEMANUMERICO

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Migrazione verso il digitale, perchè …

Sono disponibili strumenti automatici per ilprogetto e la realizzazione di moduli digitali



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Si possono ottenere circuiti integrati digitali di complessità più alta rispetto a quelli analogici

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La realizzazione di circuiti integrati digitali ha costi più bassi



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La realizzazione di circuiti integrati digitali ha costi più bassi

Il comportamento dei circuiti digitali è facilmentemodificabile (attraverso il SW o altraprogrammazione)

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Limiti del digitale – a

Presenza intrinseca di errori dovuti arisoluzione finita (quantizzazione delle ampiezze)legata al numero di bit N,campionamentolegato alla densità nel tempo dei campioni



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Limiti del digitale – a

Presenza intrinseca di errori dovuti arisoluzione finita (quantizzazione delle ampiezze)legata al numero di bit N,campionamentolegato alla densità nel tempo dei campioni

Le variabili digitali sono rappresentate da segnalianalogici (V, I, …)

segnali digitali ad alta velocità vannotrattati come analogici

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Limiti del digitale – b

Alcuni tipi di segnale possono esseresolo analogici

radiofrequenzauscite di trasduttoricomandi ad attuatori

Il limite si sposta continuamente2005: al di sotto di ~100 MHz è possibile averetutto digitale



100

Sommario lezione A0



Moduli funzionali




Domande di riepilogo

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