Elettronica per l’informatica -...
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Elettronica per l’informatica
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Lezione A0
Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutiMateriale didattico
Sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati
Richiami su condizionamento di segnale
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Elettronica per l’informatica
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Indice della lezione A0
Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutiMateriale didattico
Sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati
Richiami su condizionamento di segnale
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Ruolo di questo corso
Elettronica nella laurea in informatica:Sistemi elettroniciDispositivi e circuiti
Elettronica per informaticaSistemi, moduli e circuiti elettronici per applicazioni di sistema (es. Acquisizione dati)
architetturecircuiti tipicianalisi di applicazionigestione della potenza
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Obiettivi di questo corso
Sviluppare capacità di analisi critica a livello di sistema
Impostare ed eseguire una verifica attraverso simulazioni e misure.
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Organizzazione di questo corso
Lezioniflusso principale navigabile con audio + cartellimateriale su finestre richiamate da hotword
Esercizitest di fine lezioneesempi svolti (disponibili poi anche sul sito come aggiornamenti)
Laboratorioguide per lo svolgimento delle esercitazioni(saranno disponibili sul sito)
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Finestre esterne
L’apertura della finestra esterna blocca il videoper continuare chiuderla e premere “play”
Il materiale presentato nelle finestre esterne è disponibile nel CD (files .pdf stampabili)
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Obiettivi di questa lezione
Descrivere organizzazione, contenuti e caratteristiche del moduloTipologia e utilizzo del materiale didattico
Lezioni CDTesto su cartaMateriale aggiuntivo
Descrivere l’applicazione di riferimentosistema di acquisizione dati
Primo argomento: richiami su condizionamento di segnale con amplificatori operazionali
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Prerequisiti per il modulo
Elettronica applicata, comunicazioni, calcolatori:da Sistemi ELN + Dispositivi e Circuiti ELN
amplificatori operazionali, transistori bipolari e MOScircuiti digitali (porte, flip-flop, registri, contatori, …)
da Teoria dei segnalianalisi di segnali, spettri in frequenza, modulazioni.
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Contenuti
Argomenti raccolti in Unità
0: presentazione, sistema di riferimento, richiami (questa lezione)
A: bus di comunicazione
B: linee
C: sistemi di conversione A/D/A
D: gestione della potenza
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Elettronica per l’informatica
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Indice della lezione A0
Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutiMateriale didattico
Sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati
Richiami su condizionamento di segnale
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Materiale didattico
Testo su carta:J. Millman, A. Grabel: Microelectronics. Editore: McGraw HillDante Del Corso: Elettronica per telecomunicazioni. Editore: McGraw Hill
Sito webhttp://corsiadistanza.polito.it/cetem/corsi/db/04EJIN/
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Laboratorio
Sono disponibili manuali e guide per le esercitazioni e le relazioni (testo e sito web)
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Materiale su CD-ROM - 1
Il CD-ROM contiente materiale didattico supplementare:
Esempi di esercizi risolti
Note applicative
Data sheet
Parte di questo materiale viene usata nelle lezioni
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Elettronica per l’informatica
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Indice della lezione A0
Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutiMateriale didattico
Sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati
Richiami su condizionamento di segnale
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Sistema di riferimento
Principale applicazione di riferimento:Sistema di acquisizione
Un sistema di acquisizione dati s i compone di diverse parti per:
“sentire” variabili fisiche (attraverso deisensori/trasduttori)Effettuare il condizionamento elettrico dei segnaliin modo da renderli “leggibili” da una scheda di acquisizione A/DConvertire i segnali analogici in formato digitaleProcessare, analizzare, immagazzinare e visualizzare i segnali acquisiti con l’aiuto del software
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Sistema di riferimento
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Sistema di riferimento
Trasduttori“traducono” i fenomeni e le grandezze fisiche in segnali elettrici
TemperaturaPressioneUmiditàLuceForzaSpostamentoLivelloEtc...
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Sistema di riferimento
Condizionamento di segnaleI segnali elettrici vengono “condizionati” in modo da essere correttamente utilizzati dal front-endanalogico delle schede di acquisizione
IsolamentoAmplificazioneLinearizzazioneFiltraggio
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Sistema di riferimento
Schede di acquisizione A/DSegnale di ingresso
continuo nel tempo e nelle ampiezze (analogico)digitale (on/off)
Campionamentoaliasing
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Sistema di riferimento
Schede di acquisizione A/DRange
Valori (di tensione) max. e min. che il convertitore A/D può quantizzareSelezionabili in maniera hardware o software
RisoluzioneQuantizzazione nelle ampiezze
Software di acquisizionePuò essere il fattore più critico per ottenere informazioni affidabili e alte prestazioniTrasforma il PC e l’HW in un sistema completo di acquisizione, analisi e visualizzazione dati
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Sistema di riferimento
Software di acquisizione datiProgrammable software
Utilizzo di linguaggi di programmazioneFlessibile e completoComplesso e con tempi lunghi di realizzazione
Data acquisition softwareNon richiede programmazionePermette allo sviluppatore di progettarecomunque strumentidedicati all’analisi deidati (Es. LABVIEW)
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Sistema di riferimento
Progettare un sistema di acquisizione datiElementi chiave nella scelta dell’architettura e dei componenti:
Applicazione fissa o mobile?Tipo di segnali di I/O: analogici o digitali?Frequenza dei segnali di ingresso?Funzionamento continuo?Compatibilità tra hardware e software: i drivers delle schede A/D sono disponibili?Prezzo?
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Sistema di riferimento
ANALOGfront-end
PCIcontroller
PCIbus
Digitalprocessing
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Elettronica per l’informatica
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Indice della lezione A0
Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutimateriale didattico
sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati
Richiami su condizionamento di segnale
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Amplificatore Operazionale ideale
Tensione di uscita:
VU = Ad Vd = Ad (V1 - V2)
I+
VU= Ad Vd
Ad
I-
Vd
V1
V2
+
-
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Amplificatore Operazionale ideale
Tensione di uscita:
VU = Ad Vd = Ad (V1 - V2)
Correnti di ingresso nulleI+, I- = 0
I+
VU= Ad Vd
Ad
I-
Vd
V1
V2
+
-
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Amplificatore Operazionale ideale
Tensione di uscita:
VU = Ad Vd = Ad (V1 - V2)
Correnti di ingresso nulleI+, I- = 0
Guadagno Ad → ∞
I+
VU= Ad Vd
Ad
I-
Vd
V1
V2
+
-
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Amplificatore Operazionale ideale
Tensione di uscita:
VU = Ad Vd = Ad (V1 - V2)
Correnti di ingresso nulleI+, I- = 0
Guadagno Ad → ∞
I+
VU= Ad Vd
Ad
I-
Vd
V1
V2
+
-
Vd = VU/Ad = 0
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Circuiti base con operazionali
La reazione permette di controllare i parametri di un modulo tramite elementi passivi
Quattro configurazioni base di reazione:V/V, V/I, I/V, I/I
Per cosa utilizziamo gli operazionali:Condizionamento di segnaleFiltriSistemi di acquisizioneApplicazioni di potenza
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Amplificatore di tensione
La reazione permette di realizzare un amplificatoredi tensione con guadagnoassegnato (AR)
Ri alta, Ru bassa
2
211
21
2
R
RR
IVUV
RA
RR
R
+===
+=
β
β
R2
R1
Ad
V I
-
+
VU
Vd
VE
AR, Ri, RuVI VU
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Amplificatore non invertente
Il guadagno dipende solo dalledue resistenze R1 e R2
Ri alta, Ru bassa2
211
2
211
0,0
R
RR
IVU
V
RA
IVR
RR
IVUV
UVIVdV
quindidA
dV
dA
UV
+===
+==
=−=
∞→
=
β
β
β R2
R1
Ad
V I
-
+
VU
Vd
VE
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Effetto della reazione sui parametri
Il guadagno Ar dipende solo da R1/R2
Resistenza di ingresso Ri
corrente nulla nel morsetto di ingresso: Ri → ∞
Resistenza di uscita Rula frazione di tensione di uscita riportataall’ingresso non dipende dal carico: Ru = 0.
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Circuito di riferimento
Av = Ar = R1/R2 + 1
Ri → ∞.
Ru = 0.
Il guadagno dipende solo dalle due resistenze R1 e R2
Ri è alta, quindi il rapporto Vu/Vi non dipende da RS
Ru è bassa quindi il rapporto Vu/Vi non dipende da RL
I1=0
VU
AV, RI→ ∞ , Ru = 0
VI =V1
RSRL
VI
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Amplificatore invertente
Questa configurazionepermette di realizzareamplificatori invertenti o di transresistenza
Ri = R1 Ru bassa
1
2
I
UR
21
I21U
1
I1
RR
VV
A
RRV
RIV
RV
I
−==
−=−=
=
AR, Ri, RuVI VU
R1
VI
-+
VU
R2
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Generalizzazione con Z
Quanto visto con R vale per Z qualsiasi:
Z1
AO 1
VI-
+
VU
Z2
I1
2U V
ZZ
V ⋅−=I2
21U V
ZZZ
V+
=
Z1
AO 1VI
-
+
VU
Z2
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Vari tipi di amplificatori
Caratteristiche degli amplificatori:ingresso in tensione:
Impedenza di ingresso altauscita in tensione:
Impedenza di uscita bassaingresso in corrente:
Impedenza di ingresso bassauscita in corrente:
Impedenza di uscita alta
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Amplificatori con ingresso in tensione
R2
R1
Ad
V I
-
+
VU
VD
VE
Rs
Rc
Ad
V I
-
+
IUVD
VS
Uscita in tensione
Uscita in corrente
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Amplificatori con ingresso in corrente
AO
II-
+VU
RmIM
I-
VD
AO
II
-
+
R1
IU
I-
VD
R2I1 I2
Zc
Uscita in tensione
Uscita in corrente
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Sommario della lezione A0
Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutimateriale didattico
sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati
Richiami su condizionamento di segnale
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Test finale lezione A0
Quali sono i parametri fondamentali per un sistema di acquisizione?Cosa si intende per campionamento?Cos’è l’aliasing?Signal conditioning con amplificatori operazionaliQuali sono le Ri e Ro ottimali per amplificatori:
V → I, V → V, I → I, I → V
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Fonti
Dante Del Corso: Elettronica per telecomunicazioni. Editore: McGraw HillEdgar P. Casale: data acquisition system fundamentals . Ohio State University
National Instruments
Measurement Computing