Obiettivi formativi
Alla fine del corso ci si attende che gli studenti siano in grado di:
1. capire i principi sui quali si basa il modo di operare degli oscillatori quasi-sinusoidali,
2. conoscere gli elementi di base del condizionamento dei segnali e le sorgenti di rumore nella strumentazione elettronica,
3. giudicare quale tipo di risposta e quale architettura sia appropriata nel progetto di un filtro per differenti applicazioni,
4. analizzare il rumore e fare un bilancio degli errori statici e del rumore nei circuiti elettronici,
5. conoscere e comprendere i principi fisici dei sensori e selezionare il sensore corretto per una data applicazione
6. rappresentare mediante modelli matematici alcuni sensori e attuatori che trasducono energia tra domini differenti
Inoltre, al termine dell'attività di laboratorio, ci si attende che lo Studente dimostri
1. Abilità software, hardware e di utilizzo della strumentazione:
1.1. Capacità di modellizzare con Spice e Matlab semplici circuiti elettronici e sensori/attuatori.
1.2. Capacità di utilizzo corretto della strumentazione di base da laboratorio.
1.3. Capacità di verifica/comprensione di un setup sperimentale.
1.4. Capacità di progetto, costruzione e caratterizzazione di un insieme di circuiti di condizionamento dei segnali e di trasduttori per fare misure di interesse scientifico/tecnico
2. Abilità sperimentale e analitica:
2.1. capacità di progettare/pianificare e completare correttamente l'esperienza di laboratorio,
2.2. capacità di saper elaborare e presentare i dati sperimentali,
2.3. capacità di analizzare e confrontare i risultati della modellizzazione matematica e delle simulazioni con i risultati sperimentali ottenuti.
3. Abilità tipica della pratica professionale:
3.1. capacità di comunicare in modo efficace in forma scritta le scelte di progetto, i passi e le difficoltà realizzative e l'analisi dei risultati sperimentali,
3.2. capacità di presentare oralmente in modo efficace le scelte di progetto, i passi e le difficoltà realizzative e l'analisi dei risultati sperimentali
Prerequisiti
Familiarità con l'analisi dei circuiti analogici (modelli dei transistor, analisi ai piccoli segnali, compensazione in frequenza, etc.), blocchi fondamentali (amplificatori, specchi, etc.).
Contenuti dell'insegnamento
Il Corso è dedicato allo studio della moderna strumentazione elettronica e ai sensori e consiste in una parte di teoria (9 CFU) e in una di laboratorio (3CFU).
1. STRUMENTAZIONE ELETTRONICA
1.1. componenti per il condizionamento dei segnali quali:
1.1.1. amplificatori elettronici
1.1.2. filtri attivi
1.1.3. circuiti non-lineari
1.2. oscillatori
1.3. rumore elettronico
1.4. Ponti e ponti a bilanciamento automatico
2. SENSORI
2.1. sensori e attuatori: modelli a costanti concentrate e distribuite
2.2. principi fisici di trasduzione, modellizzazione, applicazioni e circuiti di condizionamento
2.2.1. fotorivelatori
2.2.2. sensori termici
2.2.3. sensori di deformazione (con elementi di elasticità, tensori di sforzo e deformazione, matrici di rigidità e cedevolezza e elementi di strutture meccaniche)
2.2.4. sensori capacitivi
2.2.5. sensori magnetici
2.2.6. sensori e attuatori piezoelettrici
2.3. trasduttori a conservazione di energia, studio della dinamica dei sistemi lineari e non-lineari
Il progetto di laboratorio fornisce agli studenti un'opportunità di consolidare le loro conoscenze teoriche di elettronica e sensori e di introdurli all'arte e alla pratica del progetto circuitale nell'ambito della strumentazione di interfaccia con il mondo fisico. I progetti includono sensori elettrici, magnetici e piezoelettrici, strumentazione elettronica quale oscillatori e circuiti di condizionamento dei segnali.
Verrà fornita una specifica o una descrizione funzionale, o un articolo scientifico in inglese, e gli studenti progetteranno il sistema, aiutandosi con SPICE e MATLAB, selezionando i componenti, eventualmente lo realizzeranno e lo caratterizzeranno. L'obiettivo sarà di realizzare progetti funzionali, in modo pragmatico e con attenzione al costo del progetto.
Software utilizzati: LTSPICE e Matlab
Programma esteso
Argomenti di teoria:
1. STRUMENTAZIONE ELETTRONICA (38 ore)
1.1. componenti per il condizionamento dei segnali quali: (Totale: 18 ore)
1.1.1. amplificatori elettronici
- amplificatori operazionali a retroazione di tensione (VFA): elementi aggiuntivi su compensazione per carichi capacitivi, schemi di pre-amplificazione per fotodiodi e amplificatori di carica, regole di layout per amplificatori con bassissime correnti di leakage in applicazioni elettrometriche e similari
- amplificatori operazionali a retroazione di corrente o trans-impedenza (CFA): schema circuitale semplificato e modello funzionale, caratteristica di banda, slew-rate, problemi di stabilità, circuiti di base (VCVS, VCCS, CCVS, CCCS, integratori)
- amplificatori operazionali a trans-conduttanza (OTA): caratteristiche
- amplificatori ad isolamento,
- differenziali e per strumentazione (soluzioni comuni a VFA, CFA e OTA)
1.1.2. filtri attivi
- Specifiche
- sintesi di filtri passa-basso di Butterworth e Chebyshev
- trasformazioni di frequenza per la sintesi di filtri passa-alto e passa-banda
- sintesi con sezioni Bi-Lin e Bi-Quad
- Sintesi attiva RC
- Sensitività
1.1.3. circuiti non-lineari (amplificatori logaritmici, moltiplicatori)
1.2. oscillatori sinusoidali (10 ore)
1.2.1. Concetti di oscillatore a retrazione positiva e a resistenza negativa
1.2.2. Requisiti per l'innesco dell'oscillazione e transitorio
1.2.3. Limiti di ampiezza, controllo di frequenza
1.2.4. Oscillatori RC, LC, al quarzo, schemi a tre punti con OpAmp
1.3. rumore elettronico (6 ore)
1.3.1. analisi di rumore nei circuiti passivi; rumore nei diodi, BJT e FET noise; rumore 1/f;
1.3.2. analisi di rumore a due-porte, ruolo della resistenza di sorgente, tensione di rumore equivalente in ingresso;
1.3.3. cifra di rumore, rumore di ingresso totale a blocchi in cascata
1.4. Circuiti di condizionamento per sensori resistivi/capacitivi/induttivi (4 ore)
1.4.1 Lock-In
1.4.2 Modulazione Sigma-Delta
1.4.3 Circuiti risonanti, oscillatori a rilassamento e sinusoidali
1.4.4 TDC e FDC
2. SENSORI (34 ore)
2.1. sensori e attuatori: introduzione, modelli a costanti concentrate; (2 ore)
2.2. Principi fisici di trasduzione, modelli e applicazioni
2.2.1. fotorivelatori (4 ore)
2.2.2. sensori termici (espansione termica, trasferimento del calore, effetti Seebeck and Peltier; termocoppie, sensori a giunzione pn, RTD (sensori a conduttore), Termistori NTC e PTC; anemometro a filo caldo) (4 ore)
2.2.3. sensori di deformazione (elementi di elasticità, definizione dei tensori di sforzo e deformazione e delle matrici di rigidità e cedevolezza, elementi sulle strutture meccaniche; resistenza e resistività specifica, sensibilità alla temperatura e alle deformazioni nei conduttori, effetto piezoresistivo; tecniche di condizionamento dei segnali per sensori resistivi (ponti, linearizzazione)) (2+2 ore).
2.2.4. sensori capacitivi: esempi di applicazione e circuiti di condizionamento (4 ore)
2.2.5. sensori magnetici (magnetismo: leggi di Faraday, Ampère e induzione; sensori induttivi fluxgate, search-coil, LVDT; condizionamento (per i sensori a spira e rilevatore sincrono applicato al fluxgate); effetto Hall e magnetoresistivo; sensori di posizione magnetostrittivi) (6 ore)
2.2.6. sensori piezoelettrici (effetto piezoelettrico, modelli, condizionamento dei segnali nel progetto pratico di sensori a bassa-frequenza e alla risonanza) (4 ore)
2.3. Trasduttori a conservazione di energia, analisi della dinamica dei sistemi lineari e non-lineare con esempi a trasduttori elettrostatici e magnetici. (6 ore)
Il progetto di laboratorio fornisce un'opportunità di consolidare le conoscenze teoriche di elettronica e sensori e di introdurre all'arte e alla pratica del progetto circuitale nell'ambito della strumentazione di interfaccia con il mondo fisico. I progetti includono sensori elettrici, magnetici e piezoelettrici, strumentazione elettronica quale oscillatori e circuiti di condizionamento dei segnali.
Verrà fornita una specifica o una descrizione funzionale, e gli studenti progetteranno il circuito, selezionando i componenti, eventualmente costruiranno una breadboard o un circuito stampato, e lo caratterizzeranno. L'obiettivo sarà di realizzare progetti funzionali, in modo pragmatico e con attenzione al costo del progetto.
Bibliografia
Testi consigliati:
S. Franco, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, 3rd ed., McGrawHill, 2002 (ISBN: 0071207031)
M. Tartagni, Electronic sensor design principles, Cambridge University Press, 2021, 1st Ed. (ISBN 978-1-107-04066-3)
Testi di consultazione suggeriti:
A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES, 4a Ed. (sulla 6a in inglese), 2013
S.D. Senturia, Microsystem Design, Springer, 2001, (ISBN: 978-0-7923-7246-2) Cap.5-10
V. Kaajakari, Practical MEMS, Small Gear Pub., 2009, (ISBN: 978-0-9822991-0-4)
R. Pallas-Areny, J. G. Webster, Sensors and signal conditioning, 2nd ed., J. Wiley & Sons Inc., 2001 (ISBN: 0-471-33232-1)
J. Fraden, Handbook of modern sensors, Springer, 3a Ed.
Practical design techniques for sensor signal conditioning, Analog Devices, http://www.analog.com/
Metodi didattici
Ci saranno 36 Lezioni da 2 ore ciascuna e fino a 5 progetti/esercizi di laboratorio da sviluppare in gruppi di 2 o 3 studenti nelle 12 settimane del corso (3 ore consecutive ogni settimana).
Le esperienze di laboratorio potranno vertere su:
- progetto di un filtro attivo con Matlab e Spice (attività da svolgere o a gruppi, se possibile, o singolarmente)
- progetto di un oscillatore quasi sinusoidale con Spice (attività da svolgere o a gruppi, se possibile, o singolarmente)
- esercizio/progetto di condizionamento del segnale proveniente da un sensore NTC
- lettura di un articolo scientifico (in inglese) su un ponte a bilanciamento automatico o su un altro circuito per l'utilizzo con un sensore capacitivo e descrizione con simulatore (Spice/Matlab)
- lettura di un articolo scientifico (in inglese) su un sensore/attuatore magnetico o piezoelettrico e simulazione/dimensionamento del circuito di condizionamento del segnale
In alternativa, sulla base di un articolo scientifico, si potrà progettare un sensore con un circuito di condizionamento opportuno e lo si potrà caratterizzare: all'inizio del corso verranno illustrati alcuni casi.
Le date di consegna dei compiti da svolgere a casa saranno definite il giorno stesso in cui questi verranno assegnati. Le date di consegna dei rapporti sui progetti di laboratorio sono anch'esse definite sul sito web
Le relazioni delle esercitazioni devono essere sottomesse in una forma sintetica (massimo 4/6 pagine), organizzata, professionale e
leggibile (gli assi dei grafici con indicazione delle grandezze, unità di misura, simulazioni leggibili, etc.) in lingua inglese.
Gli appunti delle lezioni e gli articoli scientifici assegnati saranno inseriti periodicamente sulla piattaforma Elly.
Per scaricarle è necessaria l’iscrizione al corso online e l'immatricolazione al corso di laurea.
Le note dattiloscritte, le sezioni dei testi raccomandati, gli articoli distribuiti vengono considerate parte integrante del materiale didattico. Più dettagli saranno disponibili durante il semestre sulla piattaforma online.
E’ vivamente consigliato l’uso di
Matlab e di LTSpice o PSpice for TI o TINA-TI
Maggiori informazioni saranno disponibili all'inizio del corso sulla pagina web.
Modalità verifica apprendimento
Valutazione:
Progetti di laboratorio con relazione: 8% ogni progetto
Tutti i progetti sono valutati in una scala da 0 a 30 e verranno pesati l'8% ciascuno.
Esame orale: 60%
L’esame orale accerta l’acquisizione della conoscenza, della comprensione e delle abilità richieste tramite 3 brevi parti:
1. l’esposizione di un argomento teorico sulla strumentazione elettronica o sui sensori trattata durante le lezioni (25%)
2. l'analisi di un circuito elettronico, del tipo di quelli visti a lezione (20%)
3. una conversazione tecnica con il docente su uno degli articoli scientifici assegnati, volta a far emergere la capacità di affrontare autonomamente e in modo critico la lettura di un testo tecnico/scientifico che affronta un problema nuovo, non affrontato in dettaglio a lezione (15%)
Altre informazioni
si faccia riferimento al sito web Elly
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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