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Modulo

SISTEMI ELETTRONICI

A - INTRODUZIONE

Decomposizione funzionale, moduli e segnali» obiettivi e organizzazione del modulo

» livelli di descrizione

» tipi di modulo

» segnali analogici e digitali

» vantaggi e limiti del digitale

Ingegneria dell’Informazione

Questa è la prima lezione per modulo “Sistemi Elettronici”

La lezione comprende due parti; la prima di tipo organizzativo:

- Ruolo di questo modulo nel complesso dei corsi di Elettronica

- Obiettivi formativi (cosa dovreste sapere/saper fare dopo il modulo)

- Contenuto (cosa viene insegnato)

- Come è organizzato (materiale didattico, modalità di esame)

La seconda di contenuto:

- Decomposizione in moduli funzionali

- Sistema di riferimento

- Segnali e alimentazione

- Segnali analogici e digitali

- Ruolo dell’elettronica digitale

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Struttura interna dei moduli, modelli, componenti, tecnologie

ELETTRONICHE SPECIALISTICHE


SISTEMI ELETTRONICI


MATEMATICA, INFORMATICA ELETTROTECNICA, FISICA, ..

DISPOSITIVI E TECNOLOGIE

Concetti base e metodologie, funzioni dei moduli,

segnali e interfacciamento

Corsi di Elettronica di base

La sequenza di corsi di Elettronica è analoga per tutti i corsi della Facoltà ICT (con alcune differenze per Ingegneria Elettronica).

I primi elementi della catena sono corsi di formazione di base (utilizzata anche da altre materie specialistiche): Matematica, Fisica, Informatica, Elettrotecnica.

I contenuti di questi moduli forniscono prerequisiti essenziali per poter seguire efficacemente il corso di Sistemi Elettronici.

Il corso di Sistemi è focalizzato sui moduli funzionali di un sistema elettronico, e ne analizza le caratteristiche esterne (cosa fa, come si collega con altri moduli), con esempi di struttura interna, in termini di elementi funzionali di livello più basso, quali Amplificatori Operazionali e interruttori).

Il corso successivo, Dispositivi e Tecnologie Elettroniche, descrive i componenti elementari utilizzati nei moduli descritti a Sistemi, le loro caratteristiche, e le tecnologie usate per costruirli.

Il terzo modulo di Elettronica è specifico per i vari corsi (Telecomunicazioni, Informatica, Meccatronica, …)

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Corso “Sistemi Elettronici”

SISTEMAAPPLICAZIONE

STRUTTURA COMPONENTI TECNOLOGIA

MODULOFUNZIONE

Corso di “Sistemi Elettronici”

Corso di “Dispositivi …”

La coppia di moduli “Sistemi – Dispositivi e Tecnologie” segue una sequenza top-down: dapprima viene visto un sistema nel suo complesso, individuando gli aspetti applicativi principali. Si, passa successivamente ai moduli che lo compongono, sempre con attenzione rivolta prima al “cosa fa” (funzione) e successivamente – solo in alcuni casi – al “come è fatto”. La struttura dei moduli è descritta usando elementi funzionali quali amplificatori operazionali (ideali e reali) ed interruttori, senza scendere ai componenti elettronici elementari (diodi, transistori MOS e bipolari).

Unica eccezione la prima lezione sui moduli digitali, che contiene una descrizione (esclusivamente sperimentale/ euristica) del comportamento di un transistore MOS, necessaria per introdurre Iparametri degli interruttori elettronici usati nei circuiti digitali.

Gli elementi utilizzati all’interno dei moduli ed I relativi circuiti base saranno analizzati in dettaglio nel secondo modulo (Dispositivi e Tecnologie).

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Obiettivi di questi corsi

• Modulo Sistemi Elettronici– 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 i sistemi elettronici.

• Successivi moduli di elettronica – Dispositivi e Tecnologie completa l’elettronica di base:

» struttura interna e circuiti dei moduli,

» componenti e tecnologie.

– Elettroniche specialistiche differenziate

La sequenza logica dei vari moduli è quindi:

Sistemi Elettronici

- vista complessiva di un sistema e scomposizione in moduli

- Parametri ai morsetti di un modulo (modelli),

- Caratteristiche di moduli e segnali analogici e digitali (numerici)

- Principio e uso della reazione

- Vantaggi delle tecniche e dei segnali numerici,

Dispositivi e tecnologie elettroniche

- transistori MOS e bipolari

- tecnologie di fabbricazione

- memorie

Elettronica per le telecomunicazioni

- Amplificatori, filtri, ADC e DAC, anelli ad aggancio di fase,

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Contenuti di questa lezione (A1)

• Quali obiettivi ha questo corso

• Come è organizzato

• Modalità di esame

• Prerequisiti

• Perché si inizia dai sistemi

• Un esempio di sistema complesso

• Scomposizione funzionale, livelli di descrizione

• Segnali in tempo e in frequenza

• Segnali analogici e segnali digitali

• Vantaggi e problemi dei segnali digitali

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Homework:

ripasso prerequisiti, revisione lezioni, esercizi, uso di simulatori,prove di esame (S & O)

~ 80 ore

Struttura del modulo “Sistemi …”

32 ore di lezioni, 12 di esercizi,12 ore di laboratorio (56 h totali)

A introduzione

B moduli analogici

C amplificatori operazionali

D moduli digitali + MOS

E sistemi sequenziali

F sistemi analogici e digitali impegno totale

56+80 = 136 ore

5 crediti

Gli argomenti sono articolati in sei gruppi:

- introduzione

- Moduli analogici

- Amplificatori operazionali

- Dispositivi MOS e Moduli digitali

- Sistemi digitali sequenziali

- Combinazione di parti analogiche e parti digitali.

Oltre alla frequenza alla lezioni è richiesto un homework, co comprende il ripasso di quanto visto in corsi precedenti, la risoluzione degli esercizi proposti, l’esecuzione delle esperienze di laboratorio.

Il lavoro complessivo richiesto per questo modulo è di circa 130 ore, di cui 56 in aula o laboratorio, e la restante parte di lavoro autonomo.

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Testi di riferimento

• Neil Storey: Electronics: A Systems Approach– Prentice Hall, 2006, ISBN-13:9780131293960

» esercizi, test di autovalutazione a: http://wps.pearsoned.co.uk/ema_uk_he_storey_electronic_3/42/10999/2815814.cw/index.html(riferimenti nelle slide in inglese)

• altri testi adeguati:– R.C. Jaeger, T.N. Blalock: Microelettronica

McGraw Hill (IT) 2004 (riferimenti nelle slide in italiano)

– J. Millman, A. Grabel: Microelectronics (II ed.),

– Millman, Grabel, Terreni: Elettronica di MillmanMcGraw Hill (IT), 2008

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

Il primo testo è in inglese, ed ha una buona dotazione di materiale (esercizi e test) sul sito web per studenti

Tutti testi indicati sono sovrabbondanti; forniscono una visione ampia e abbastanza completa dell’elettronica in generale.

Costituiscono la base per eventuali futuri approfondimenti, e possono essere usati anche per i corsi successivi.

Dato che la grandissima maggioranza dei documenti relativi all’elettronica è in inglese, conviene acquisire dimestichezza con la terminologia utilizzando libri di testo in inglese.

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21/02/2011 - 8 SisElnA1 - © 2010 DDC

Materiale didattico – siti web

• portale della didattica– Informazioni e materiale “personale” (risultati lab e scritti)

• http://ulisse.polito.it/matdid/1ing_eln_01EKL_TO_0/

– Lucidi IT (non tutti aggiornati)

– Lucidi EN

– Guide di laboratorio

– Esempi di esercizi ed esami

– SW vario per simulatori e altro

• Sito LED: http://led.delen.polito.it/– Data sheet, manuali strumenti, …

Gli avvisi generali e tutto il materiale didattico sono collocati nel sito ULISSE (di libero accesso).

Materiale con informazioni personali (ad esempio le valutazioni di laboratorio o degli scritti) sono collocati nel portale, con accesso controllato.

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21/02/2011 - 9 SisElnA1 - © 2010 DDC

Altro materiale didattico

• Giovanni Giachino: Sistemi Elettronici, CLUT, 2005

• Maurizio Zamboni, Mariagrazia Graziano: Introduzione all'analisi dei Sistemi Elettronici, CLUT, 2006 (raccolta di esercizi).

• F. e R. Zappa: Fondamenti di Elettronica (II ed.), Esculapio, 2002

• Corso teledidattico:– http://corsiadistanza.polito.it/on-line/Sistemi_ele/index2.htm

– da guardare subito: lezione A1 (esercitazione PSPICE):

– lezioni successive utilizzabili per ripasso

Le lezioni del corso teledidattico possono essere utilizzate per rivedere un argomento poco chiaro o di cui non si è seguita la lezione in aula.

Hanno buona corrispondenza complessiva di argomenti, ma seguono una numerazione diversa.

La corrispondenza di argomenti non è totale; non è opportuno sostituire tutte le lezioni di questo modulo con quelle teledidattiche.

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Esempi, esercizi, test

• Esempi (durante la lezione)– Problemi semplici completamente svolti

• Test (al termine della lezione)– verificare la comprensione dei punti chiave

– Non viene data la risposta

• Esercizi (esercitazioni in aula)– vengono fornite le specifiche e i risultati, con indicazioni

sulla soluzione

– Aggregazione di argomenti di lezioni diverse

• Temi di esame svolti (ultima esercitazione e in rete)

Le verifiche dell’apprendimento possono assumere diverse forme

Nel corso delle lezioni verranno presentati esempi, ovvero semplici problemi dei quali viene illustrata passo passo la procedura di soluzione,

Al termine di ogni lezione compaiono delle domande (senza risposta). Per queste domande verificate se:

1) capite le domande

2) sapete dove trovare la risposta

In caso di risposta negativa conviene rivedere la lezione.

Gli “Esercizi” proposti o disponibili sul sito richiedono l’applicazione di quanto visto a lezione su nuovi circuiti, e la combinazione di elementi descritti in lezioni diverse.

E disponibile (nel sito web) una raccolta di temi di esami svolti. Lo scritto di esame richiede l’uso combinato di procedimenti descritti in lezioni differenti.

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Scopo di esercizi e test

• I guasti devono essere individuati prima possibile– prima della consegna al cliente finale

– Le lacune vanno corrette PRIMA dell’esame

• Scopo dei test– individuare prontamente eventuali lacune o incomprensioni

• Scopo degli esercizi – applicare la teoria a nuove situazioni

• L’ingegnere fa progetti, non esercizi ed esami– per diventare ingegneri bisogna (anche) superare esami

– per superare esami bisogna (anche) saper risolvere esercizi

Entro ogni lezione vengono proposti esempi (semplici esercizi risolti passo-passo) ed esempi (esercizi senza soluzione). Cercate di risolverli in proprio, senza copiare le soluzioni indicate dal docente.

Al termine di ogni lezione (gruppo di slide) viene proposta una serie di quesiti. E’ un primo test di comprensione; le risposte non richiedono calcoli o elaborazioni complesse.

Verificate se conoscete le risposte o ricordate in quale parte della lezione è stato affrontato l’argomento. Se non capite qualche domanda (o non sapete dove trovare la risposta), è opportuno rivedere l’argomento.

Per verificare la capacità di risolvere esercizi completi sono disponibili tutti i temi di esame degli anni precedenti, con soluzione complete di spiegazioni.

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21/02/2011 - 12 SisElnA1 - © 2010 DDC

Esercitazioni di laboratorio

• L’ingegnere usa modelli matematici per progettare– La correttezza di un modello e la rispondenza di del

progetto alle specifiche va verificata con esperimenti

• Il corso comprende esercitazioni di laboratorio, per – Verificare correttezza e limiti dei modelli usati

– Abituare al lavoro di gruppo

– Dare capacità di lavoro sperimentale e uso degli strumenti

• Prerequisito essenziale– Modulo Introduzione alla sperimentazione

• Le relazioni di laboratorio vengono riviste e valutate– Peso 20% nel voto finale

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Collaborazione e lavoro coordinato

• L’ingegnere lavora raramente da solo; la collaborazione è parte importante del lavoro reale.

– Occorre imparare a collaborare in modo efficace;

– Esercitazioni di laboratorio: occorre lavoro coordinato; esecuzione dell'esperienza e stesura della relazione sono compiti collettivi del gruppo di allievi.

– I contenuti sono calibrati in modo da poter essere completati nel tempo assegnato solo organizzando preventivamente il lavoro e suddividendolo tra i componenti del gruppo.

– Formate gruppi per risolvere gli esercizi in aula

• Questo principio non vale per gli esami !

– Esperimento AA 2009-10: coadiutori madrelingua

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21/02/2011 - 14 SisElnA1 - © 2010 DDC

Modalità di esame

• Voto finale = 0,95(scritto&orale) +0,25lab +[quad] –4

• Esame scritto (fine modulo)– esercizi numerici (2) + domande a risposta chiusa (5)

• Valutazione delle relazioni di laboratorio (gruppo)

• Appelli di fine modulo e di Settembre: – Orale “di verifica” (domanda sullo scritto): +/- 2 punti, max 30

– Orale completo opzionale: media con lo scritto

• Altri appelli: Scritto più breve, orale più lungo

• Documento dettagliato sul sito

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21/02/2011 - 15 SisElnA1 - © 2010 DDC

Supplemento di esame

• Corso cell-free

• Ogni squillo interrogazione con valutazione o “tesina”(obbligatoria per superare l’esame)

– Livelli di radiazione elm stabiliti dalle normative, e confronto con le radiazioni di un cellulare

– Come è fatto e come funziona il vibracall

– …

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21/02/2011 - 16 SisElnA1 - © 2010 DDC

Prerequisiti

• elettrotecnica– risoluzione di RLC con generatori pilotati, metodo simbolico

• matematica– sistemi di equazioni lineari, equazioni differenziali

• informatica– algebra di Boole

• fisica– conduzione nei solidi

• teoria dei segnali (corso parallelo)– analisi in frequenza (qualitativa)

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21/02/2011 - 17 SisElnA1 - © 2010 DDC

Verifica dei prerequisiti

• E’ disponibile sul sito un test iniziale, con obiettivi:– per gli allievi:

» selezionare cosa è bene ripassare

– per i docenti (è possibile riconsegnarlo): » verificare in termini statistici i risultati dei corsi precedenti,

– deve essere svolto in 20’

– non influisce sulla valutazione finale

• Per ogni lezione o gruppo di lezioni verranno indicati di volta in volta i prerequisiti richiesti

– la verifica e ripasso dei prerequisiti fanno parte degli homework.

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• Test prerequisiti







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Sistemi elettronici e moduli

• Un sistema elettronico è fatto di moduli interconnessi.

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SISTEMAAPPLICAZIONE

MODULOFUNZIONE

Dai sistemi ai moduli

Corso “Sistemi Elettronici”

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?

??

Perché iniziamo dai sistemi ?

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

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• Per usare un modulo serve conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna.

– Cosa fa il modulo ?» FUNZIONE

– Quanta e quale energia richiede ?» ALIMENTAZIONE

– Come parla con gli altri moduli ?» SEGNALI

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21/02/2011 - 23 SisElnA1 - © 2010 DDC

Cosa sono i “segnali” ?

• Nei sistemi elettronici l’informazione è associata a grandezze elettriche

– tensioni

– correnti

– frequenza

– …..

• L’ informazione è associata a variazioni di queste grandezze:

– segnali

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21/02/2011 - 24 SisElnA1 - © 2010 DDC

Progetto ingegneristico

• Servono metodi per analizzare, descrivere, capire oggetti complessi.

– L’ingegnere scompone un problema complesso in una serie di problemi più semplici, collegati, risolvibili, e ne ricompone le soluzioni.

– Deve saper applicare tecniche per decomporre e descriverefunzioni e strutture.

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Specifica funzionale e struttura

• Specifica funzionale:» Cosa deve fare il sistema ?

» Come interagisce con il contesto (resto del mondo) ?

• Struttura» Come è fatto il sistema ?

» Con quali procedure posso progettarlo, realizzarlo, testarlo, ..?

• Entrambe esprimibili con diagramma oggetti/relazioni

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Sistema campione

• Sistema di riferimento per queste lezioni:– telefono cellulare

» parte del sistema servizi/rete/terminali utente,

» sistema complesso (~100.000.000 transistori),

» campionario di diversi aspetti dell’elettronica,

» utilizza tecnologie moderne

• Varie fasi» definizione funzionale

» scomposizione della struttura

» analisi di alcuni moduli

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21/02/2011 - 27 SisElnA1 - © 2010 DDC

Oggetto dell’analisi

Oggetto reale IT, definibile in termini di:

- funzioni (cosa fa - specifica funzionale, vistadell’oggetto completo e delle sue interazioni)

- struttura (come è fatto, quali elementi usa, come sono collegati, …)

Funzioni simili possono essere realizzate con strutture diverse.

Come possiamo analizzare, descrivere, capireoggetti complessi ?

Come possiamo descrivere funzioni e strutture ?

DECOMPOSIZIONE

Moduli (più) semplici e loro relazioni

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21/02/2011 - 28 SisElnA1 - © 2010 DDC

Da specifica funzionale a struttura

Trasduttorecomandi(tastiera)

Trasduttoreingr. voce (microfono)

Trasduttoreuscita voce (auricolare)

Trasduttoreinfo visive(display)

Trasduttorecampo elm (antenna)

Alimentazione(caricabatteria)

Moduli funzionaliper esecuzione

e controllo

UTENTE

CAMPO ELETTROMAG

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21/02/2011 - 29 SisElnA1 - © 2010 DDC

Struttura

MODULIFUNZIONALI

SENSORItastiera,microfono,antenna, …

ATTUATORIauricolare,display,antenna, ...

SISTEMA ELETTRONICO(telefono cellulare)

Dopo aver visto come è fatto, passiamo ad analizzare

cosa fa.

Questo è il processo di DECOMPOSIZIONE FUNZIONALE.

Analizziamo il telefonino in termini di blocchi interconnessi.

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21/02/2011 - 30 SisElnA1 - © 2010 DDC

Struttura dettagliata

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21/02/2011 - 31 SisElnA1 - © 2010 DDC

MICROP.DSP,MEM

TRASDUTTORI: AP, MK,

TASTIERA, DISPLAY

RICEVITOREDEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI ANTENNA

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

ALIMENTAZIONE

Schema a blocchi comprensibile

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21/02/2011 - 32 SisElnA1 - © 2010 DDC


HARMONICFILTER

GSM

DCS

PCS

ANTENNASWITCH

Tx EN

GSM ENDCS EN

PCS EN

RC

Filter

ANTENNA

TX (PA)

RX

Blocco 1: deviatore di antenna

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21/02/2011 - 33 SisElnA1 - © 2010 DDC

DescrizioneFUNZIONALE

Gruppo di modulicorrelati a unaspecifica funzione:

commutarel’antenna tratrasmettitori e ricevitori.

HARMONICFILTER

GSM

DCS

PCS

ANTENNASWITCH

Tx EN

GSM ENDCS EN

PCS EN

RC

Filter

ANTENNA

TX (PA)

RX

Deviatore di antenna: funzione

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21/02/2011 - 34 SisElnA1 - © 2010 DDC

Schema elettrico del deviatore.

Elementi visibili a questolivello:

- componenti elementari(R, C, FET)

- topologia delleinterconnessioni

ANTENNASWITCH

V3

Rx3 Rx2

V2

Tx Rx1

V1

Ant

Deviatore di antenna: schema

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21/02/2011 - 35 SisElnA1 - © 2010 DDC

Aspetto fisico del deviatore; elementi visibili:

- contenitore- piedini di collegamento

Funzione e struttura interna sono “nascoste”.

ANTENNASWITCH

V3

Rx3 Rx2

V2

Tx Rx1

V1

Ant

Deviatore di antenna: struttura

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21/02/2011 - 36 SisElnA1 - © 2010 DDC

MICROPDSP,MEM,

...

A/D

D/A

ALT

RI

MO

DU

LI

Ancora schema a blocchi (*)

• Vari tipi di moduli

– Amplificatori, filtri

– Oscillatori

– Convertitori A/D e D/A

– Sommatori, Moltiplicatori

– Memoria, DSP

– Interfaccia display, SIM

– Trasduttori» tastiera, display, antenna,

microfono, auricolare, ...

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21/02/2011 - 37 SisElnA1 - © 2010 DDC


• Per usare un modulo occorre conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna

– cosa fa il modulo ?» FUNZIONE

– quanta e quale energia richiede ?» ALIMENTAZIONE

– come parla con gli altri moduli ?» SEGNALI

Per usare un modulo serve conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna.

Descrizione funzionale

Specifiche di interfaccia

Caratteristiche dei segnali

Alimentazione, consumo

tra i segnalipuò essere inteso anche il clock (alimentazione temporale)

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21/02/2011 - 38 SisElnA1 - © 2010 DDC

• Segnali (trasportano informazione)

• Alimentazioni (trasportano energia)

• L’energia richiesta per il funzionamento viene distribuita come tensione continua (Val).

Val

GND

INFOIN

INFOOUT

Da dove arriva l’energia ?

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21/02/2011 - 39 SisElnA1 - © 2010 DDC

Sottosistema di alimentazione

• Obiettivi– ridurre la produzione di calore

– massima durata e rapida ricarica delle batterie

– minimo inquinamento (batterie)

– Massimo rendimento

• Moduli – alimentatore da rete, regolatori, caricabatterie

– batteria

– circuiti per distribuzione e gestione della potenza

• E’ un sottosistema complesso !

L’alimentazione può sembrare banale (la pila), ma il sottosistema gi gestione e distribuzione della alimentazione è complesso.

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• Per usare un modulo occorre conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna

– cosa fa il modulo ?» FUNZIONE

– quanta e quale energia richiede ?» ALIMENTAZIONE

– come parla con gli altri moduli ?» SEGNALI

Per usare un modulo serve conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna.

Descrizione funzionale

Specifiche di interfaccia

Caratteristiche dei segnali

Alimentazione, consumo

tra i segnalipuò essere inteso anche il clock (alimentazione temporale)

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21/02/2011 - 42 SisElnA1 - © 2010 DDC

Prerequisiti seconda parte A1

• Descrizione e analisi di segnali– Trasformata di Fourier

– Spettro di un segnale

– Segnali aleatori

– Numerazione e codici binari

• Riferimenti sul testo:– 1.2 Classificazione dei segnali

– 1.3 Notazioni

– 1.4 Risoluzione di circuiti

– 1.5 Spettro in frequenza dei segnali

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21/02/2011 - 43 SisElnA1 - © 2010 DDC

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

Segnali analogicibassa frequenza300 Hz-3 kHz

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

Segnali digitali1 bit/N bit

Diversi tipi di segnale

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21/02/2011 - 44 SisElnA1 - © 2010 DDC

Segnali audio

• Nei circuiti associati a microfono e auricolare sono presenti segnali audio

• Esempio: segnale sinusoidale (tono):– v(t) = V sen (t + )

– V = valore di picco (volt, simbolo V)

– = pulsazione (radianti/secondo), (frequenza f = in hertz, simbolo Hz)

– = fase (radianti, simbolo rad)

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21/02/2011 - 45 SisElnA1 - © 2010 DDC

Segnali analogici

• tono audio

• triangolare

• vocecomponenti tra 300 Hz e 3 kHz.

tempo frequenza

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21/02/2011 - 46 SisElnA1 - © 2010 DDC

MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

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

Segnali a radiofrequenza (RF) (*)

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21/02/2011 - 47 SisElnA1 - © 2010 DDC

Segnali a radiofrequenza (*)

• Nei circuiti in prossimità dell’antenna sono presenti segnali sinusoidali a frequenza elevata(800 MHz - 1,8 GHz circa).

– Richiedono amplificatori e interconnessioni particolari.

• Esempio:– segnale non modulato a 800 MHz

ampiezza

tempo

1 ns (2 ms per segnale audio)

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21/02/2011 - 48 SisElnA1 - © 2010 DDC

Rappresentazione in tempo

Un segnale può essere visualizzato in funzione del tempo:

asse X: tempo

asse Y:ampiezza

Strumento: oscilloscopio

t = 0

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21/02/2011 - 49 SisElnA1 - © 2010 DDC

Rappresentazione in frequenza

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

asse X: frequenza

asse Y:ampiezza

Strumento: analizzatore di spettro

f = 0

fondamentale

II armonica

III armonica

Rumore di base

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21/02/2011 - 50 SisElnA1 - © 2010 DDC

Legame tempo - frequenza

• Variazioni rapide del segnale corrispondono a componenti a frequenza elevata

tempo frequenzaF = 0

banda

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21/02/2011 - 51 SisElnA1 - © 2010 DDC

Spettri di segnali (*)

• Segnale periodico/non periodico» spettro a righe (distanza: inverso del periodo) spettro continuo

• Segnale finito (da t = 0 a t = T1)» occupazione in banda illimitata (da f = 0 a f = )

• Segnale a banda limitata (da fA a fB)» non limitato nel tempo (da t = - a t = + )

• Variazioni ripide» componenti a frequenze elevate

• Segnali reali» ~limitati in tempo e in banda (poca energia fuori T1-T2 e F1-F2)

• Simulatore dello spettro di varie onde sul sito Ulisse: materiale simulatori e SW spettro di segnali ...

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21/02/2011 - 52 SisElnA1 - © 2010 DDC












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21/02/2011 - 53 SisElnA1 - © 2010 DDC

Segnali analogici

• Il segnale analogico è continuo– in tempo: è definito per qualsiasi istante di tempo entro un

certo intervallo

– in ampiezza: può assumere qualsiasi valore entro un certo intervallo

• Parametri:– intervallo di ampiezza

» valore max e min (dinamica),

» eventuale DC

– contenuto spettrale» banda, forma dello spettro

t

AS

0

0

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21/02/2011 - 54 SisElnA1 - © 2010 DDC

MICROP.DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY


CATENA RX

CATENA TX


ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI RX E TX

CONTROLLO POTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnali analogici

(RF, IF, AF)

Segnali analogici: dove ?

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21/02/2011 - 55 SisElnA1 - © 2010 DDC

Segnali digitali reali

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

– discreto in tempo: definito solo per alcuni istanti di tempo entro un certo intervallo

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

8 bit, 28 = 256 valori

t1t2t3t4t5

SisElnA1 21/02/2011

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21/02/2011 - 56 SisElnA1 - © 2010 DDC

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

Segnali digitali: dove ?

SisElnA1 21/02/2011

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21/02/2011 - 57 SisElnA1 - © 2010 DDC

Errori con rappresentazione digitale

• Campionamento: valori definiti solo a tempi discreti– intervallo tra campioni Ts, cadenza dei campioni Fs = 1/Ts

– sono rappresentabili segnali con banda Fa limitata a Fs/2 (criterio di Nyquist)

» esempio: Fs = 20 kHz, Fa = 10 kHz

• Quantizzazione: numero finito di valori rappresentabili– N bit : 2N valori, quindi

– Errore di quantizzazione Q = 100/2N % = 1M/2N PPM» esempio: 28 = 256 Q = 0,4 %

• Simulatore degli effetti della quantizzazione sul sito Ulisse: materiale simulatori e SW quantizzazione

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21/02/2011 - 58 SisElnA1 - © 2010 DDC

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)

1 0 1 1 0

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21/02/2011 - 59 SisElnA1 - © 2010 DDC

Ts

valore

H

L

tempo

Diagrammi temporali

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

1 0 1 1 0

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21/02/2011 - 60 SisElnA1 - © 2010 DDC

Rappresentazione degli stati logici

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

» stato alto, H, 1, ... 3 V

» stato 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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21/02/2011 - 61 SisElnA1 - © 2010 DDC

Rumore e disturbi

A ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore

il rumoreNON trasportainformazione utile

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21/02/2011 - 62 SisElnA1 - © 2010 DDC

Degradazione del segnale analogico

• Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore.

• Per il segnale analogico il rumore determina un degrado non recuperabile dell’informazione.

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21/02/2011 - 63 SisElnA1 - © 2010 DDC

Degradazione del segnale digitale

• Per il segnale digitale il degrado del segnale digitale dovuto al rumore è recuperabile (se contenuto entro certi limiti).

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21/02/2011 - 64 SisElnA1 - © 2010 DDC

Ripristino del segnale digitale

Grazie alla discretizzazione in ampiezza del segnale digitale, èpossibile ricostruireil valore originarioconfrontando ilsegnale con unasoglia.

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21/02/2011 - 65 SisElnA1 - © 2010 DDC

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 catene di operazioni complesse

– Impossibili con tecnica analogica per il cumulo del rumore

• Perché non vi sia perdita di informazione– il rumore deve essere limitato

– il segnale deve essere periodicamente ricostruito.

• Simulatori degli effetti del rumore sul sito Ulisse: materiale simulatori e SW segnale analogico/digitale con rumore

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21/02/2011 - 66 SisElnA1 - © 2010 DDC

Verso il mondo esterno

• I segnali fisici (trasduttori e attuatori) sono prevalentemente analogici

• L’interfaccia tra elettronica e mondo esterno deve essere di tipo analogico

SISTEMAELETTRONICO

SEGNALI ANALOGICI

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21/02/2011 - 67 SisElnA1 - © 2010 DDC

Sequenza A/D/A

• L’elettronica è prevalentemente digitale– occorre convertire i segnali da analogici a numerici, e

viceversa:» conversione ANALOGICO/DIGITALE (A/D)

» conversione DIGITALE/ANALOGICO (D/A)

SISTEMA ELETTRONICO

SISTEMANUMERICO

A/D D/A

SEGNALI ANALOGICI

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21/02/2011 - 68 SisElnA1 - © 2010 DDC

Analogico - digitale - analogico

• La maggior parte dei sistemi elettronici comprende:– interfacce verso il mondo esterno (front-end) analogico

– conversione A/D

– trattamento del segnale numerico

– conversione D/A

– interfacce verso il mondo esterno (back-end) analogico

A/D

Sistemanumerico D/A

Attuatori e back-endanalogico

Sensori efront-endanalogico

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21/02/2011 - 69 SisElnA1 - © 2010 DDC

Dove vanno i sistemi elettronici ?

• I sistemi elettronici tendono a migrare verso il digitale,

A/D

Sistemanumerico

D/A Attua

Sens

A/D

Sistemanumerico D/A

Attuatori e back-endanalogico

Sensori efront-endanalogico

tempo

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21/02/2011 - 70 SisElnA1 - © 2010 DDC

Perchè migrazione verso il digitale?

• Solo con le tecniche digitali sono possibili elaborazioni complesse

– Non cumula il rumore, errori deterministici

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

• Sono disponibili strumenti automatici per il progetto e la realizzazione di moduli digitali

– I circuiti integrati digitali hanno costi più bassi

• Il comportamento dei circuiti digitali èfacilmente modificabile

– SW o altra programmazione

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21/02/2011 - 71 SisElnA1 - © 2010 DDC

Limiti del digitale

• Presenza intrinseca di errori dovuti a– quantizzazione delle ampiezze

(legati al numero di bit N),

– campionamento(legati alla densità nel tempo dei campioni).

• Le variabili digitali sono rappresentate da segnali analogici (V, I, …)

– segnali digitali ad alta velocità vanno trattati come analogici

• Alcuni tipi di segnale possono essere solo analogici(RF, …)

– Il limite si sposta continuamente(da ~500 MHz quasi tutto analogico)

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21/02/2011 - 72 SisElnA1 - © 2010 DDC

Sommario lezione A1

• Introduzione, organizzazione, prerequisiti

• Strutture a moduli, distinzione tra funzione e struttura– Cosa fa, come lo fa

• Segnali in un sistema elettronico:– Analogici, digitali

– Rappresentazione in tempo e in frequenza

• Rumore, degradazione del segnale– Recupero del segnale digitale dal rumore

• Vantaggi e limiti della tecnologia digitale– errori controllabili, più semplice progettazione/fabbricazione

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21/02/2011 - 73 SisElnA1 - © 2010 DDC

Lezione A1 – test conclusivo

• Fare un esempio di descrizione funzionale (cosa fa) e strutturale (come è fatto) per un oggetto a piacere.

• La tensione di rete (220V, 50 Hz) può essere considerata un segnale?

• Quale parte dello spettro occupa il segnale vocale?

• Quanti valori posso rappresentare con 8 bit?

• Come vengono rappresentati gli stati logici?

• Quali sono i vantaggi dei segnali digitali?

• Perché la diffusione televisiva è passata da analogica a digitale?

• Tutti i sistemi elettronici hanno parti analogiche?

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21/02/2011 - 74 SisElnA1 - © 2010 DDC

Prerequisiti gruppo di lezioni B

• Analisi di reti elettriche:– Circuiti equivalenti di doppi bipoli con maglie Thevenin e

Norton (unidirezionali).

– Comportamento T e F di celle RC e RLC

– Diagrammi di Bode, decibel

• Riferimenti– Jaeger: 1.6 Amplificatori, 11.1/2/4 Sistemi analogici

– Storey: 3 Amplification

• Uso del simulatore circuitale PSPICE

• Uso degli strumenti base di laboratorio

Modulo - areeweb.polito.it · Questa è la prima lezione per ... – A.Sedra, K.Smith: Circuiti per...

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