Successivi moduli di elettronica: Dispositivi Elettronici e Elettronica speciale per informatici

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1 A1x - Presentazione del corso (modulo) Sistemi Elettronici 1/2- Obiettivi del modulo 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 sistemi elettronici. Successivi moduli di elettronica: Dispositivi Elettronici e Elettronica speciale per informatici A1x - Presentazione del corso Sistemi Elettronici 2/2- Struttura del modulo Gli argomenti sono raccolti in gruppi di lezioni: gruppo A: introduzione gruppo B: moduli analogici gruppo C: amplificatori operazionali gruppo D: la scelta fra analogico e digitale gruppo E: moduli digitali gruppo F: sistemi elettronici numerici Complessivamente, da fine novembre a fine gennaio: 50 ore di lezioni ed esercitazioni in aula, 16 ore di laboratorio (per squadra, 2 squadre) ~90 ore di lavoro personale (homework) 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 1 di 18

2 A1a - Presentazione del gruppo A 1/9- obiettivi del gruppo A Dare informazioni logistiche e organizzative sul modulo Contenuti, struttura, calendario di massima Materiale didattico Esercitazioni laboratorio Homework Modalità d esame e criteri di valutazione Auto-verifica dei prerequisiti Avviare al metodo di scomposizione top-down di un sistema e addestrare ad individuarne i moduli funzionali Presentare i tipi di segnale presenti in un sistema, con le loro caratteristiche e parametri A1a - Presentazione del gruppo A 2/9- materiale didattico testo di riferimento: R.C. Jaeger: MICROELETTRONICA McGraw Hill (IT) 1998 meglio l edizione inglese! sito web polito > servizi on line > materiale didattico > ing. Elettronica > sistemi elettronici copie di questi lucidi manuali e guide esercizi suggeriti e risolti SW per simulatori 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 2 di 18

3 A1a - Presentazione del gruppo A 3/9- esercitazioni di laboratorio e homework Laboratorio comportamento manuale e guida per le esercitazioni circuiti premontati lavoro di gruppo relazioni Homework ripresa degli argomenti prerequisiti esercizi simulazioni A1a - Presentazione del gruppo A 4/9- esercitazioni di laboratorio L ingegnere lavora raramente da solo; la capacità di collaborare è una dote importante nel lavoro reale. Occorre imparare a collaborare in modo efficace; le esercitazioni di laboratorio puntano anche ad abituare al lavoro organizzato e coordinato: l esecuzione dell'esperienza e la 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 tra i componenti del gruppo. 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 3 di 18

4 A1a - Presentazione del gruppo A 5/9- esercitazioni di laboratorio Le attività da suddividere sono: l assegnazione dei compiti il collegamento delle apparecchiature la verifica dei collegamenti l acquisizione delle misure la relazione scritta Questi principi non valgono per gli esami! A1a - Presentazione del gruppo A 6/9- modalità d esame Il voto finale è una combinazione dei voti di scritto, di laboratorio, [orale] L esame scritto è composto da esercizi numerici e domande a risposta chiusa La valutazione delle relazioni di laboratorio è uguale per gli elementi del gruppo, ma ogni componente è penalizzato per le proprie assenze. L orale è opzionale, a richiesta dello studente, ed è sostenibile solo se lo scritto >= 18 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 4 di 18

5 A1a - Presentazione del gruppo A 7/9- prerequisiti Per seguire il modulo sono richieste conoscenze di: elettrotecnica risoluzione di reti RLC con generatori pilotati metodo simbolico matematica sistemi di equazioni lineari, equazioni differenziali (Laplace) serie di Fourier informatica algebra di Boole A1a - Presentazione del gruppo A 8/9- auto-verifica prerequisiti E previsto un test iniziale anonimo, che non influisce sulla valutazione finale. Esso è utile ai docenti: per verificare statisticamente i risultati dei corsi precedenti, Esso è utile agli allievi: per selezionare che cosa è bene ripassare. Per ogni lezione o gruppo di lezioni verranno indicati di volta in volta i prerequisiti richiesti Verifica e ripasso dei prerequisiti fanno parte degli homework. 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 5 di 18

6 A1a - Presentazione del gruppo A 9/9- auto-verifica prerequisiti Viene distribuito un foglio con domande a risposta chiusa. Indicare la risposta che si ritiene più corretta con X Riconsegnare entro 20, anche se incompleto Non porre nomi sul foglio riconsegnato A1b - Presentazione della lezione A1 1/7- ripresa obiettivi del gruppo A Dare informazioni logistiche e organizzative sul modulo Contenuti, struttura, calendario di massima Materiale didattico Esercitazioni laboratorio Homework Modalità d esame e criteri di valutazione Auto-verifica dei prerequisiti Avviare al metodo di scomposizione top-down di un sistema e addestrare ad individuarne i moduli funzionali Presentare i tipi di segnale presenti in un sistema, con le loro caratteristiche e parametri 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 6 di 18

7 A1b metodo di scomposizione di un sistema 2/7- definizione di sistema Per essere certi di essere di fronte ad un sistema occorre verificare che: esistano più parti separabili le parti siano in qualche modo interconnesse le interconnessioni abbiano uno scopo comune di funzionamento Per lavorare sul concreto, utilizziamo un esempio-guida: sistema per il controllo automatico della velocità dell albero di una pompa rotante. (per rapidità lo chiameremo RAV: Regolatore Automatico di Velocità) A1b metodo di scomposizione di un sistema 3/7- che cosa deve fare il RAV? Il RAV deve rispettare un certo numero di esigenze: 1. accettare dall operatore l imposizione della velocità desiderata, scelta in una fascia di valori; 2. ottenere tale valore sull albero della pompa entro la tolleranza di un errore massimo accettato; 3. mantenere tale valore (entro l errore tollerato) al variare di un certo numero di disturbi esterni, quali la temperatura del fluido, il dislivello superato ; 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 7 di 18

8 A1b metodo di scomposizione di un sistema 4/7- quali oggetti possono costituire il RAV? DINAMO di misura ALBERO rotante a n MOTORE regolato Vn-Vn' ELETTRONICA di controllo Vm=K(Vn-Vn') DATORE DI SET POMPA Vn' Vn A1b metodo di scomposizione di un sistema 5/7- come si può rappresentare il RAV in modo astratto? n' MOTORE Cf Vm=(Vn-Vn') K DINAMO Vn' Vn-Vn' n DATORE DI SET Vn ELETTRONICA DI CONTROLLO 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 8 di 18

9 A1b metodo di scomposizione di un sistema 6/7- come si può rappresentare il RAV in modo più astratto? ATTUATORE Ea=f(En-En') n' Cf SENSORE En' En-En' n DATORE DI SET En ELETTRONICA DI CONTROLLO A1b metodo di scomposizione di un sistema 7/7- riassumendo Il sistema RAV comprende in generale 1. un DATORE DI SET, che l operatore usa per dare al sistema il valore desiderato della velocità n, in forma elettrica En ; 2. un SENSORE, che misura la velocità istantanea n, in forma elettrica En ; 3. un ATTUATORE, che riceve una sollecitazione elettrica Ea ed un disturbo di coppia frenante Cf, e provvede a generare la velocità regolata n ; 4. un ELETTRONICA DI CONTROLLO, che calcola l errore En-En, e lo elabora [Ea =f (En-En )] per fornire il pilotaggio Ea all attuatore 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 9 di 18

10 A1c Analisi della specifica dei requisiti di un sistema 1/7- perché è necessario scrivere una specifica dei requisiti? Il cliente deve dire al fornitore: quali apparati del RAV vuole fornire il cliente e quali devono essere forniti dal fornitore ; ciò che vuole ottenere dal RAV, esprimendolo in modo che sia misurabile all atto del collaudo d accettazione; in quali condizioni ambientali il RAV deve funzionare, pure espresse in forma misurabile; le specifiche degli apparati forniti dal cliente A1c Analisi della specifica dei requisiti di un sistema 2/7- quali capitoli essenziali deve contenere una specifica? delimitazione della fornitura la pompa è esclusa dalla fornitura tutto il resto è incluso informazioni scambiate con il mondo esterno velocità della pompa, coppia frenante della pompa, comandi dall operatore condizioni ambientali temperature limiti di funzionamento e di magazzino. funzionalità del regolatore prescrizioni di precisione, di tempi di risposta, di ergonomia, di qualità, di facilità di manutenzione, di dimensioni, di energia assorbita. 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 10 di 18

11 A1c Analisi della specifica dei requisiti di un sistema 3/7- quale linguaggio è conveniente usare per la specifica? Esistono linguaggi formali che permettono di scrivere le specifiche riducendo al minimo i rischi di incompletezze, di sottintesi, di incongruenze, di errori formali. Proviamo ad accennare un possibile inizio della scrittura della specifica del RAV con uno di questi linguaggi. A1c Analisi della specifica dei requisiti di un sistema 4/7 Context diagram set_c vel_c operatore all_c controlla velocità 0 Cfr pompa TM_all_c antenna context diagram 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 11 di 18

12 A1c Analisi della specifica dei requisiti di un sistema 5/7 controlla velocità all_c set_c trasduci allarme 5 trasduci set 2 all set trasduci telemis. 6 regola velocità 1 TM vel trasduci velocità 4 com TM_all_c attua velocità 3 vel_c Cfr DFD0 controlla velocità A1c Analisi della specifica dei requisiti di un sistema 6/7 regola velocità set all calcola l errore 1.1 genera allarme 1.6 vel err elabora modo proporz. 1.2 elabora modo integrat. 1.3 elabora modo derivat. 1.4 err p err i componi modi err d 1.5 com DFD1 regola velocità 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 12 di 18

13 A1c Analisi della specifica dei requisiti di un sistema 7/7 l indice specifica requisiti RAV mostra la strutturazione CD 0 controlla velocità DFD 1 regola velocità PSpec 1.1 calcola l errore DFD 1.2 elabora modo proporz. DFD DFD DFD 1.3 elabora modo integr. DFD 1.4 elabora modo derivat. PSpec 1.5 componi i modi DFD 1.6 genera allarmi DFD 2 trasduci set DFD 3 attua velocità DFD 4 trasduci velocità DFD 5 trasduci allarme DFD 6 trasduci telemis. A1d Analisi della specifica dell architettura di un sistema 1/5 dalla specifica dei requisiti alla specifica dell architettura La specifica dei requisiti viene scritta dai sistemisti. La specifica dei requisiti descrive che cosa il RAV deve fare (modello astratto), non come ottenerlo nella realizzazione (modello concreto). Il come viene descritto nella specifica dell architettura, sempre a carico dei sistemisti. La specifica dell architettura alloca le varie funzioni citate nella specifica dei requisiti in moduli architetturali (sia HW sia SW) specificandoli uno per uno. Vediamo come ad ogni funzione di una specifica corrisponda un modulo dell altra 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 13 di 18

14 A1d Analisi della specifica dell architettura di un sistema 2/5 Context diagram operatore all_c set_c sistema controllo velocità 0 vel_c Cfr pompa TM_all_c antenna context diagram A1d Analisi della specifica dell architettura di un sistema 3/5 sistema controllo velocità all_c sirena allarme 5 trasmettitore RF 6 vel TM_all_c dinamo tachim. 4 vel_c all set_c datore di set 2 set regolatore velocità 1 com Amp.Pot e motore 3 Cfr MID0 sistema controllo velocità 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 14 di 18

15 A1d Analisi della specifica dell architettura di un sistema 4/5 regolatore velocità set all circuito differenz 1.1 circuito allarme 1.6 vel err circuito amplific. 1.2 circuito integrat. 1.3 circuito derivat. 1.4 err p err i circuito sommat. 1.5 err d com MID1 regolatore velocità A1d Analisi della specifica dell architettura di un sistema 5/5 l indice specifica architetturale RAV mostra la strutturazione CD 0 sistema controllo velocità MID 1 regolatore velocità MSpec 1.1 circuito differenziale MID 1.2 circuito amplificatore... MID 1.3 circuito integratore... MID 1.4 circuito derivatore... MSpec 1.5 circuito sommatore MID 1.6 circuito allarme... MID 2 datore di set MID 3 Amp.Pot. e motore MSpec 4 dinamo tachim. MSpec 5 sirena allarme MID 6 trasmettitore RF 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 15 di 18

16 A1e Metodi di progettazione di sistemi complessi 1/6 top-down Abbiamo applicato il metodo di analisi top-down alla definizione sia delle specifiche dei requisiti, sia delle specifiche architetturali del nostro RAV. Il metodo segue il principio che per l uomo risolvere numerosi problemi semplici è più congeniale che risolvere un solo problema complesso. L uomo tende a scambiare numerosità con complessità. L uomo peferisce risolvere 100 problemi di complessità 1 che 1 problema di complessità 100, anche se affrontare i 100 problemi richiede uno sforzo in più dovuto alla necessità di tenere sotto controllo le interrelazioni dei 100 problemi. A1e Metodi di progettazione di sistemi complessi 2/6 perché cominciamo dai sistemi e non dai componenti Un sistema elettronico è visto dal progettista come un insieme di moduli interconnessi. Entro i moduli troviamo i componenti elementari: circuiti integrati, transistori, resistenze, condensatori La maggior parte dei progettisti di sistemi elettronici utilizza moduli e componenti costruiti da altri. Per utilizzare un modulo serve conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna. 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 16 di 18

17 A1e Metodi di progettazione di sistemi complessi 3/6 progetto top-down Progettare una applicazione vuol dire definire il sistema e le sue relazioni con il mondo esterno. Si segue una procedura top down per definire sia cosa voglio fare: specifica dei requisiti sia come lo voglio fare: progetto dell architettura Progettare un sistema vuol dire definire i segnali scambiati tra il sistema ed il mondo esterno, le funzioni necessarie al sistema, i moduli (HW e SW) e l allocazione delle funzioni, la definizione delle interconnessioni A1e Metodi di progettazione di sistemi complessi 4/6 alimentazione Un sottosistema sempre presente e fondamentale per il buon funzionamento del sistema è il sottosistema di alimentazione In un sistema elettronico circolano infatti segnali (trasportano informazione) alimentazioni (trasportano l energia richiesta per il funzionamento) 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 17 di 18

18 A1e Metodi di progettazione di sistemi complessi 5/6 obiettivi alimentazione L energia richiesta per il funzionamento viene generalmente distribuita come tensione continua. Per sistemi portatili (es. cellulari) specifiche minime perdite nei circuiti alimentati massima autonomia delle batterie massima rapidità della ricarica minimo inquinamento delle batterie moduli necessari batteria/caricatore alimentatore da rete regolatori e disaccoppiatori circuiti di accensione gestione della potenza A1e Metodi di progettazione di sistemi complessi 6/6 obiettivi alimentazione Per sistemi fissi (es. RAV) specifiche buon rendimento dei circuiti di potenza alimentati (Amp.Pot.) alimentazione dalla rete, con possibilità di sopportare interruzioni di alimentazione isolamento del sistema dai disturbi presenti in rete moduli necessari alimentatori da rete regolatori e disaccoppiatori circuiti di accensione gestione della potenza circuiti di allarme preventivo in caso di guasti-deriva 27/11/ A1_dia_bis.doc rev.a Pagina 18 di 18