Bachelor of Science in Ingegneria elettronica

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1 Dipartimento tecnologie innovative Bachelor of Science in Ingegneria elettronica Tesi di Bachelor 2011

2 Imperatori Giona Bachelor of Science in Ingegneria elettronica Tesi di Bachelor 2011 Wireless Electromyography (EMG) Device Relatore: Diego Barrettino 1. Oscilloscpoe 2. Analog Board 3.System Didascalia immagine 1 Didascalia immagine 2 Didascalia immagine 3

3 Motivazioni personali Abstract Our system properly readout 4 EMG channels and send those information over Wi-Fi to an android-based device. The analog board amplify each channel up to 7670 times and it limits the frequency bandwidth between 8.7Hz and 952Hz. The digital module (Flyport) sample each channel at 41.67kHz using a 12bit A/D converter, the LSB resolution is therefore105nv. The analog board has a power consumption of 2.6mW, the whole system of 445mW in standby and 486mW during data recording. It has got a wide input power supply range from 3.4V to 5.5V allowing to be battery powered. The device size are 48mm x 35mm x 15mm making it portable. Obiettivi Conduct a literature search Signal gain range: V/V Signal bandwidth range: 10 1kHz Design and implement the analog electronics Select and program the Wi-Fi communication interface Android based smartphone graphical interface Documentation of the results Descrizione Every time a skeletal muscles contracts, microvolt signals are produced by the muscle fibre. Electromyography (EMG) is a technique for evaluating and recording those electrical activities. This technique is used as a medical application for the patients rehabilitation and neuromuscular training, is employed on computer games and in many others applications. There are many way to record an EMG signal, surface Electromyography (semg) is a non-invasive technique that readout the muscles signals on the skill. Others use invasive technique like needles insert in the patient body. Our system readout 4 semg channels at the same time and then send the collected information, through a wireless (Wi-Fi) interface, to an android-based device that properly display those data. Conclusioni Our system properly readout 4 EMG channels and send data on the android app over Wi-Fi. The amplification range of each channel is V/V, the bandwidth range is Hz. Each channel is sampled at 41.67kHz using a 12bit A/D converter. The analog board power consumption is 2.6mW, the whole system consumes 445mW in standby and 486mW during data recording. The device power supply range is V, allowing to be battery powered. The device size are 48mm x 35mm x 15mm.

4 Imperatori Giona Bachelor of Science in Ingegneria elettronica Tesi di Bachelor 2011 Wireless Electromyography (EMG) Device Relatore: Diego Barrettino 1. Oscilloscpoe 2. Analog Board 3.System Didascalia immagine 1 Didascalia immagine 2 Didascalia immagine 3

5 Motivazioni personali Abstract Our system properly readout 4 EMG channels and send those information over Wi-Fi to an android-based device. The analog board amplify each channel up to 7670 times and it limits the frequency bandwidth between 8.7Hz and 952Hz. The digital module (Flyport) sample each channel at 41.67kHz using a 12bit A/D converter, the LSB resolution is therefore105nv. The analog board has a power consumption of 2.6mW, the whole system of 445mW in standby and 486mW during data recording. It has got a wide input power supply range from 3.4V to 5.5V allowing to be battery powered. The device size are 48mm x 35mm x 15mm making it portable. Obiettivi Conduct a literature search Signal gain range: V/V Signal bandwidth range: 10 1kHz Design and implement the analog electronics Select and program the Wi-Fi communication interface Android based smartphone graphical interface Documentation of the results Descrizione Every time a skeletal muscles contracts, microvolt signals are produced by the muscle fibre. Electromyography (EMG) is a technique for evaluating and recording those electrical activities. This technique is used as a medical application for the patients rehabilitation and neuromuscular training, is employed on computer games and in many others applications. There are many way to record an EMG signal, surface Electromyography (semg) is a non-invasive technique that readout the muscles signals on the skill. Others use invasive technique like needles insert in the patient body. Our system readout 4 semg channels at the same time and then send the collected information, through a wireless (Wi-Fi) interface, to an android-based device that properly display those data. Conclusioni Our system properly readout 4 EMG channels and send data on the android app over Wi-Fi. The amplification range of each channel is V/V, the bandwidth range is Hz. Each channel is sampled at 41.67kHz using a 12bit A/D converter. The analog board power consumption is 2.6mW, the whole system consumes 445mW in standby and 486mW during data recording. The device power supply range is V, allowing to be battery powered. The device size are 48mm x 35mm x 15mm.

6 Biondini Andrea Bachelor of Science in Ingegneria elettronica Tesi di Bachelor 2011 Nuove topologie e controlli per inverter fotovoltaici Relatore: Alessandro Robertini 1. Inverter 2. Segnali 3. Controllo mono rete Didascalia immagine 1 Inverter Conergy NPC (Neutral Point Clamped) Didascalia immagine 2 Segnale in uscita dall inverter Conventional NPC Didascalia immagine 3 Controllore per l interfacciamento alla rete elettrica

7 Motivazioni personali Abstract Questo progetto si pone l obiettivo di utilizzare e controllare una nuova topologia di inverter e in particolare i nuovi inverter a tre livelli. Essi utilizzano tre livelli di tensione in uscita con il vantaggio di migliorare il rendimento complessivo dell inverter utilizzando elementi aggiuntivi. In questo lavoro si vuole analizzare due tipi di inverter a tre livelli ossia il Conventional NPC e il Conergy NPC. Per entrambi gli inverter si sono studiati sia gli impianti isolati dalla rete e sia gli impianti collegati alla rete. Entrambi gli impianti sono stati analizzati per il sistema monofase. Infine solo per l impianto collegato alla rete si è studiato il sistema trifase. Con questo progetto si è arrivati alla conclusione di quanto atteso. Si è riuscito a controllare tutti i sistemi modificando il tipo di controllo. Obiettivi Implementare le modulazioni degli inverter a tre livelli Studiare i sistemi isolati dalla rete elettrica Studiare i sistemi collegati alla rete elettrica Progettare i controllori per i vari sistemi Eseguire le simulazioni dei sistemi Sviluppare circuiti in monofase Sviluppare circuiti in trifase Descrizione Innanzitutto si sono studiate le caratteristiche di un pannello solare al variare della temperatura, dell irraggiamento e dell area esposta al sole. In seguito si è studiato ed implementato il controllo, la modulazione, il mantenimento del segnale e il filtro sia per il Conventional NPC e sia per il Conergy NPC. Per entrambi gli inverter si è simulato l impianto isolato dalla rete e l impianto collegato alla rete per un sistema monofase. In seguito si è introdotta la simulazione del pannello solare per entrambe le simulazioni. Inoltre per entrambi gli inverter si è eseguito un sistema trifase collegato alla rete. Infine si sono eseguite delle considerazioni sui fattori che influenzano il rendimento degli inverter. Conclusioni Lo studio di fattibilità, svolto durante il progetto di diploma, ha dimostrato l utilizzo dell inverter Conventional NPC e del Conergy NPC. Per entrambi gli inverter si sono svolte delle simulazioni con impianti collegati a rete e isolati dalla rete. Inoltre si è effettuato anche la simulazione per un impianto trifase collegato alla rete. In tutti i sistemi, variando il filtro e il tipo di controllo, è stato possibile soddisfare le aspettative.

8 Calvarese Nathan Bachelor of Science in Ingegneria elettronica Tesi di Bachelor 2011 Watch controller Relatore: GianCarlo Dozio 1. Box 2. GUI 3. Consumption Didascalia immagine 1 Case of the watch winder. Inside the case there is the pillow, the support of the watch. Into the pillow there is all the electronics that measure and send the information about the precision. Didascalia immagine 2 The GUI (Graphical User Interface) of the JAVA application. It s used to show the data received from the circuitry into the pillow. Didascalia immagine 3 The current consumption of an event of communication. It is useful to understand the average current consumption of the entire circuit.

9 Motivazioni personali Abstract To keep in charge watches when are not worn, exist cubes that rotate the watches. The idea for the Chronocheck is to add electronics monitoring the precision of the watch, and eventually alert the user that his watch need to be checked. The control is made by sampling the mechanical frequency and comparing it with a precise time base. The electronics spinning with the watch have an independent power source from the case. The first study is to generate enough power from the motion of the pillow (the support of the clock) to feed all the electronics in it. Subsequently there is a study to transfer the energy from the extern battery, the one feeding the DC motor. For the communication the component CC2540 is chosen. With a JAVA application there is the possibility to extract information from the server (CC2540 keyfob). Descrizione This document is the continuation of the Watch winder project of the Chronocheck made by the student CAI Fuzhen in date 6 September The project idea is to build a box where the watch is retained in charge. In order to reach that task, the pillow (the support of the watch) need to rotate, simulating human walking. In addition to that, the project want to measure the tic-tac noise of the watch. With that information it's possible to know the timing of the clock and make a comparison with a precise one. When the error is known, it's possible to send it to a PC via USB cable. It s very important for the project to use low power electronics in order to maximize the lifetime of the watch winder, there is then an optimization of the actual circuit, with a comparison of the components. Obiettivi The aims of the projects were: Design of a system of acquisition of mechanical impulses (Tic-Tac). Design of a system of energy production from rotation Design an interface for displaying data on a PC (Bluetooth). Realization of a prototype. Functioning and practical test. Analysis of the results. Documentation in Latex and in English. Conclusioni The conclusion of this work is that harvesting energy from the motion of the pillow is not convenient. The transfer of energy can be an appropriate option. Another option can be to eliminate also the transfer of energy and using only a battery as supply. With the actual circuit, utilizing a battery (average 2000mAh), the life time of the circuit will be approximately 6 months. With the optimized circuit (average current consumption of 175µA versus the actual 474µA) the battery has a lifetime of about 16 months. The communication between the PC and the keyfob works properly, as we can see in Fig.3 we can extract all the information we need from server(cc2540 connected to the main circuit)

10 Duerig Sasha Bachelor of Science in Ingegneria elettronica Tesi di Bachelor 2011 Nano-ampere frontend for multimeters Relatore: Ricardo Monleone 1. Schema misure 2. Guard ring 3. Dispositivo Didascalia immagine 1 Circuito di amplificazione della corrente. Didascalia immagine 2 Dettaglio guard ring (top-view PCB). Il guard ring è una tecnica utilizzata per minimizzare le correnti di fuga, in maniera da non deteriorare la misura effettuata dal frontend. Didascalia immagine 3 Dispositivo finale.

11 Motivazioni personali Abstract La tendenza nei dispositivi elettronici é quella di avvicinarsi sempre piú ad un consumo minimo di energia, il low-power. Il laboratorio TTHF (Telecom Telemetria High Frequency) lavora proprio in questa direzione negli studi e nella realizzazione dei propri apparecchi. Per offrire un supporto nelle verifiche sperimentali su circuiti low-power si vuole realizzare un dispositivo che unito ad un comune multimetro sia in grado di misurare correnti molto piccole. Il dispositivo finale lavora correttamente nel range ±1nA ±10uA. Obiettivi Gli obiettivi del progetto sono di seguito elencati: analisi e confronto di vari circuiti di amplificazione per mezzo di simulazioni TINA sviluppo circuiti ausiliari (alimentazione, protezione, funzione self-test, indicazione tramite LED delle condizioni di overrange, out of range e low battery) layout PCB dello schema completo realizzazione e test del dispositivo completo Descrizione Dopo una prima fase di raccolta informazioni e analisi dei circuiti di amplificazione con vari componenti, si è passati alle simulazioni TINA. I circuiti più performanti vengono successivamente montati quali prototipi e testati fisicamente. A questo punto è possibile scegliere la combinazione circuito-componentistica adatta alle esigenze del progetto. In seguito si sono realizzati i circuiti ausiliari, in maniera da poter creare un PCB a partire da uno schematico completo e funzionante. Particolare cura va tenuta nel layout del PCB, in quanto il design gioca un ruolo fondamentale nella precisione e nel funzionamento del frontend stesso. Oltre alla realizzazione del PCB occorre valorizzare il case in cui il print andrà inserito, prestando attenzione nello scegliere un involucro che possa schermare il circuito interno. Alla fine si ottiene un dispositivo finale il quale dev essere collaudato (a blocchi singoli e globalmente) per essere infine validato. Conclusioni In definitiva si ha un dispositivo funzionante che soddisfa le richieste del committente, fatta eccezione per l indicazione LED della condizione di overrange. Il frontend opera su due range specifici (na e ua) per un range complessivo di ±1nA ± 10uA. Il frontend è molto semplice da utilizzare. Si collega l entrata alla linea della quale si vuole misurare la corrente, mentre l uscita del dispositivo viene collegata ad un qualsiasi multimetro. La tensione letta sul multimetro è proporzionale alla corrente misurata in entrata: VOUT = IIN 1MΩ (range na) VOUT = IIN 100kΩ (range ua)

12 Murillo Palma Roger Danilo Bachelor of Science in Ingegneria elettronica Tesi di Bachelor 2011 Antenna da integrare in sensori per la misura di umidità nel sottosuolo Relatore: Andrea Salvadè 1. Coppia Antenne 2.Collegamento braccia 3. Misure Didascalia immagine 1 Coppia di antenne realizzate Didascalia immagine 2 Print di collegamento tra le due braccia dell antenna Didascalia immagine 3 Luogo utilizzato per la misura delle antenne

13 Motivazioni personali Abstract Il presente lavoro di diploma concerne lo studio e la realizzazione di alcuni prototipi di antenna integrabili in un sistema di misura per la detenzione dell umidità presente nel sottosuolo, con il fine di prevenire la liquefazione del terreno in caso di forti sismi. Grazie ai risultati ottenuti attraverso lo studio di alcuni prototipi, viene confermata l ipotesi che, per le sue caratteristiche relative alla larghezza di banda e alle dimensioni, l antenna a dipolo conico sembra essere la più adatta per soddisfare le esigenze richieste, rappresentando maggiori vantaggi rispetto al dipolo semplice o al dipolo semplice con prolunghe. Obiettivi Analizzare e modellizzare alcuni prototipi di antenne utilizzabili mediante simulazioni dell ambiente in cui andranno posizionate Realizzare il tipo di antenna che meglio sembra soddisfare le specifiche di progetto Collaudare in laboratorio il prototipo di antenna realizzato. Descrizione Dopo avere esposto la parte teorica a cui si fa riferimento, si passa allo studio di approfondimento sulle diverse possibili soluzioni prese in considerazione. In seguito vengono scelti i prototipi di antenna che meglio si adattano alle richieste del progetto: dipolo semplice, dipolo conico e dipolo semplice con prolunghe. Si procede poi con il dimensionamento ed il disegno delle diverse antenne, continuando con la simulazione facendo uso del tool Ansoft HFSS, che permette di osservare le caratteristiche specifiche dell antenna. In funzione dei risultati ottenuti dalle simulazioni, si decide di realizzare e collaudare il prototipo a dipolo conico, che potrà essere integrato nei sensori per misurare l umidità del terreno. Conclusioni Dai risultati ottenuti tramite le simulazioni in laboratorio e la realizzazione concreta di un prototipo di antenna, emerge che l antenna a dipolo conico raggiunge il miglior compromesso per soddisfare le esigenze richieste della problematica in questione, o sia avere una larghezza di banda compresa tra 50 MHz e 500MHz, così come rispettare una dimensione massima dell involucro dell antenna pari a 1 m per 3 cm di spessore.

14 Sala Marco Bachelor of Science in Ingegneria elettronica Tesi di Bachelor 2011 Wireless Precision Balance for Posturometric Studies Relatore: Diego Barrettino 1. PCB 2. Funzionamento 3. Pedana Didascalia immagine 1 PCB realizzato con Flyport Didascalia immagine 2 Schema a blocchi del funzionamento Didascalia immagine 3 Pedana posturometrica

15 Motivazioni personali Abstract La posturometria è una disciplina medica che si occupa di misurare il carico, l oscillazione del corpo umano e le diverse alterazioni posturali. Questo può essere fatto tramite una bilancia di precisione che fornisce informazioni sulla distribuzione del carico posturale sul pavimento attraverso delle celle di carico. In questa tesi è stata realizzata una pedana caratterizzata da sei celle di carico, un circuito di amplificazione, digitalizzazione dei segnali e invio dei dati via WiFi. Le misurazioni vengono visualizzate da un software sviluppato appositamente implementato per uno smartphone con piattaforma Android. Obiettivi Caratterizzazione le celle di carico Design e implementazione elettronica analogica e digitale Implementazione comunicazione WiFi tra pedana e smartphone Descrizione Il segnale analogico delle celle di carico è amplificato e filtrato mediante un filtro passa basso. Successivamente viene effettuata una compensazione che permette di eliminare l offset dovuto alle tolleranze di fabbricazione. La digitalizzazione è effettuata con una ADC a 12 bit utilizzando una referenza di 4096mV in modo di ottenere una risoluzione di 1mV. Dopo aver digitalizzato il segnale viene eseguito un oversampling che elimina il disturbo ad alta frequenza. I dati vengono poi inviati in un pacchetto UDP tramite il modulo Flyport ad uno smartphone, che visualizza le misurazioni ricevuto su un applicazione creata appositamente. I componenti elettronici sono montati su un PCB a 4 strati, in modo da eliminare il più possibile il rumore proveniente dall esterno. Particolare attenzione è stata portata all altezza dei componenti, in quanto tutta la scheda deve essere inserita all interno Conclusioni In questo lavoro di Bachelor è stata realizzata una pedana per lo studio posturometrico. Si sono analizzate le diverse soluzioni possibili ed è stata scelta la più efficace per rispettare gli obbiettivi. Rispetto alla soluzione esistente la nuova pedana migliora la precisione delle misure, e permette una frequenza di campionamento più elevata. La scelta di un interfaccia wireless aperta tra la pedana e il client smartphone semplifica l integrazione con altri sistemi di misurazione e analisi dei dati.

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