Page 1. SisElnA1 11/22/ DDC 1 SISTEMI ELETTRONICI. Ingegneria dell Informazione. Corsi di Elettronica di base. Modulo

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1 Ingegneria dell Informazione Corsi di Elettronica di base 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 MATEMATICA, INFORMATICA ELETTROTECNICA, FISICA,.. SISTEMI ELETTRONICI DISPOSITIVI E TECNOLOGIE ELETTRONICHE SPECIALISTICHE ELETTRONICHE SPECIALISTICHE Concetti base e metodologie, funzioni dei moduli, segnali e interfacciamento Struttura interna dei moduli, modelli, componenti, tecnologie 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Contenuti di questi corsi Contenuti di questa lezione (A1) Obiettivi del 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 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 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Struttura del modulo Sistemi Organizzazione - a A introduzione B moduli analogici C amplificatori operazionali D moduli digitali E sistemi sequenziali F stili di progetto 32 ore di lezioni, 10 di esercizi, 18 ore di laboratorio (60 h totali) Homework (ripasso prerequisiti, revisione lezioni, esercizi, uso di simulatori ~ 90 ore Materiale didattico testo di riferimento: R.C. Jaeger: MICROELETTRONICA, McGraw Hill (IT) 1998 manuale completo di elettronica, anche per corsi successivi» meglio l edizione inglese! Sito web (servizio Ulisse)» polito > servizi on line > materiale didattico > ing. Elettronica > sistemi elettronici» copie di questi lucidi, manuali e guide, esercizi ed esami SW vario per simulatori e altro 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 1

2 Organizzazione - b Collaborazione e lavoro coordinato Laboratorio labetiquette manuale e guida per le esercitazioni circuiti premontati; finale con montaggio relazioni e lavoro di gruppo calendario, non orario settimanale Homework prerequisiti esercizi simulazioni L ingegnere lavora raramente da solo; la collaborazione è parte importante del lavoro reale. Occorre imparare a collaborare in modo efficace; le esercitazioni di laboratorio puntano anche ad abituare al 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. Questo principio non vale per gli esami! 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Modalità di esame Prerequisiti Voto finale combinazione dei voti di scritto, laboratorio, [orale], [altro] Esame scritto esercizi numerici domande a risposta chiusa Valutazione delle relazioni di laboratorio uguale per il gruppo Orale opzionale sostenibile se scritto >= 18 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 serie di Fourier informatica algebra di Boole 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Verifica dei prerequisiti Contenuti di questa lezione (A1) E disponibile sul sito un test iniziale, con obiettivi: per gli allievi:» selezionare cosa è bene ripassare per i docenti (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. Quali obiettivi ha questo corso Come è organizzato Modalità di esame Test 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 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 2

3 Sistemi elettronici e moduli Perché iniziamo dai sistemi? Un sistema elettronico è fatto di moduli interconnessi. La maggior parte dei progettisti utilizza moduli e componenti costruiti da altri. 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Perché iniziamo dai sistemi? Cosa sono i segnali? Per usare un modulo serve conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna. Cosa fa il modulo?» FUNZIONE Come parla con gli altri moduli?» SEGNALI Quanta e quale energia richiede?» ALIMENTAZIONE Nei sistemi elettronici l informazione è associata a grandezze elettriche tensioni correnti frequenza L informazione è associata a variazioni di queste grandezze: segnali 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Sistemi... e Dispositivi Ciclo di progetto (*) SISTEMA APPLICAZIONE Corso SISTEMI... Corso DISPOSITIVI... MODULO FUNZIONE STRUTTURA COMPONENTI TECNOLOGIA Procedura di progetto top down: bisogni dell utente»cosa serve? stesura delle specifiche progettazione»come lo faccio? realizzazione manutenzione smaltimento Progettare un sistema vuol dire definire funzioni e caratteristiche dei moduli, come sono collegati tra loro e con l esterno. 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 3

4 Progetto ingegneristico Specifica funzionale e struttura 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 riassembla le soluzioni. Deve saper applicare tecniche per decomporre e descrivere funzioni e strutture. 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, testarlo,? Entrambe esprimibili con diagramma oggetti/relazioni 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Sistema campione Oggetto dell analisi Sistema di riferimento per queste lezioni: telefono cellulare» parte del sistema servizi/rete/terminali utente,» sistema complesso (~ transistori),» campionario di diversi aspetti dell elettronica,» utilizza tecnologie moderne Varie fasi» definizione funzionale» scomposizione della struttura» analisi di alcuni moduli Oggetto reale IT, definibile in termini di: - funzioni (cosa fa - specifica funzionale) - struttura (come è fatto) Funzioni simili possono essere realizzate con strutture diverse. Come possiamo analizzare, descrivere, capire oggetti complessi? Come possiamo descrivere funzioni e strutture? DECOMPOSIZIONE Alcune delle prossime slide utilizzano schemi e figure messe a disposizione da 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Specifica funzionale di sistema Da specifica funzionale a struttura Cosa deve fare il sistema? Come interagisce con il contesto (resto del mondo)? INGRESSO VOCE TRASMISSIONE Trasduttore comandi (tastiera) Trasduttore campo elm (antenna) UTENTE COMANDI STATO E INFORMAZIONI USCITA VOCE SPECIFICA DEL TELEFONO CAMPO ELETTROMAG. RICEZIONE ALIMENTAZIONE CARICA BATTERIA Trasduttore ingr. voce (microfono) Trasduttore uscita voce (auricolare) Trasduttore info visive (display) Moduli funzionali per esecuzione e controllo Alimentazione (caricabatteria) 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 4

5 Scomposizione di oggetto IT Struttura fisica Primi passi per una descrizione in termini di struttura: - scomposizione in unità (fisiche) più semplici - schema a blocchi di ciascuna unità - individuare le funzioni di ogni modulo >> parte elettronica (pcb) Sono riconoscibili i trasduttori (altoparlante, microfono, display, ), le strutture di supporto e di connessione (circuito stampato, cavi, ), i componenti elementari (resistenze, condensatori, transistori, circuiti integrati,..). Cuore del sistema sono i circuiti integrati: piastrine di silicio con un gran numero di elementi attivi (transistori) >> Dispositivi e tecnologie 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Struttura logica Schema a blocchi comprensibile DEVIATORE DI RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX MICROP. DSP, MEM OSCILLATORI RX E TX MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Blocco 1: deviatore di antenna Deviatore di antenna: funzione DEVIATORE DI SWITCH RC Filter Tx EN GSM EN DCS EN PCS EN Descrizione FUNZIONALE Gruppo di moduli correlati a una specifica funzione: SWITCH RC Filter Tx EN GSM EN DCS EN PCS EN HARMONIC FILTER TX (PA) RX GSM DCS PCS commutare l antenna tra trasmettitori e ricevitori. HARMONIC FILTER TX (PA) RX GSM DCS PCS 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 5

6 Deviatore di antenna: schema Deviatore di antenna: struttura V1 V2 Schema elettrico del deviatore. V1 V2 Tx Ant Rx3 Rx1 Rx2 Elementi visibili a questo livello: - componenti elementari (R, C, FET) - topologia delle interconnessioni Tx Ant Rx3 V3 Rx1 Rx2 SWITCH Aspetto fisico del deviatore; elementi visibili: - contenitore - piedini di collegamento SWITCH V3 Funzione e struttura interna sono nascoste. 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Ancora schema a blocchi (*) Esempio 2: Filtro BF - a (*) Vari tipi di moduli Amplificatori, filtri Oscillatori Convertitori e Sommatori, Moltiplicatori Memoria, microprocessori ALTRI MODULI MICROP DSP, MEM,... Filtro di ricezione: risposta in frequenza (funzione) Digital Signal Processor Interfaccia display, SIM Trasduttori» tastiera, display, antenna, microfono, auricolare,... 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Esempio 2: Filtro BF - b (*) Da dove arriva l energia? Filtro di ricezione: schema elettrico (struttura) Segnali (trasportano informazione) Alimentazioni (trasportano energia) Val INFO IN INFO OUT GND L energia richiesta per il funzionamento viene distribuita come tensione continua. 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 6

7 Sottosistema di alimentazione Contenuti di questa lezione (A1) Il sottosistema di alimentazione è complesso: obiettivi di progetto» ridurre la produzione di calore» ridurre i disturbi elettromagnetici (EMI-EMC)»massima durata e rapida ricarica delle batterie» minimo inquinamento (batterie) moduli» alimentatore da rete, regolatori» distribuzione e gestione della potenza» batteria/caricatore Quali obiettivi ha questo corso Come è organizzato Modalità di esame Test 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 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Prerequisiti seconda parte A1 Diversi tipi di segnale 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 DEVIATORE DI Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM RICEVITORE DEMODULATORE Segnali CATENA digitali RX1 bit/n bit OSCILLATORI RX E TX MICROP. DSP, MEM MODULATORE Segnali analogici bassa frequenza Alimentazione: tensioni CONTROLLO 300 Hz-3 KHz continue stabilizzate, POTENZA per CATENA tutti i moduli TX TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY ALIMENTAZIONE 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Segnali audio BF Segnali audio DEVIATORE DI RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX MICROP. DSP, MEM Nei circuiti associati a microfono e auricolare sono presenti segnali audio OSCILLATORI RX E TX MODULATORE Segnali analogici bassa frequenza CONTROLLO 300 Hz-3 KHz POTENZA CATENA TX TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY ALIMENTAZIONE Esempio: segnale sinusoidale (tono): v(t) = V sen (ωt + φ) V = valore di picco (volt, simbolo V) ω = pulsazione (radianti/secondo), (frequenza f = ω/2π, in hertz, simbolo Hz) φ = fase (radianti, simbolo rad) 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 7

8 Segnali analogici Segnali a radiofrequenza (RF) (*) tono audio DEVIATORE DI RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX MICROP. DSP, MEM triangolare Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM OSCILLATORI RX E TX MODULATORE voce componenti tra 300 Hz e 3 khz. CATENA TX CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, tempo frequenza ALIMENTAZIONE TASTIERA, DISPLAY 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Segnali a radiofrequenza (*) Segnali digitali 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 DEVIATORE DI RICEVITORE DEMODULATORE Segnali CATENA digitali RX1 bit/n bit OSCILLATORI RX E TX MICROP. DSP, MEM ampiezza MODULATORE tempo 1 ns (2 ms per segnale audio) CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Segnali digitali - 2 Segnali digitali - 3 Nei circuiti di controllo e comando (tastiera, display, carta SIM, collegamenti dati, ) sono presenti segnali di tipo numerico o digitale. Un segnale numerico è una sequenza di numeri: 132, 45, 876, 9, 541, generalmente codificati in base 2:» segnale binario , , , ,.. Un segnale digitale (binario) usa livelli di tensione per rappresentare stati logici (0/1, o meglio H/L). Stati L H L H L H L tensione Vt» criterio: V > < Vt tempo 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 8

9 Rappresentazione in tempo Rappresentazione in frequenza Un segnale può essere visualizzato in funzione del tempo: Strumento: oscilloscopio asse Y: ampiezza Un segnale può essere visualizzato anche indicando le sue componenti in funzione della frequenza: asse Y: ampiezza Strumento: analizzatore di spettro fondamentale II armonica III armonica asse X: tempo F = 0 Rumore di base asse X: frequenza 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Legame tempo - frequenza Spettri di segnali (*) Variazioni rapide del segnale corrispondono a componenti a frequenza elevata tempo F = 0 banda frequenza 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 Segnale a banda limitata» 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)»Un simulatore dello spettro di onde sinusoidali/triangolari/quadre è disponibile sul sito Ulisse 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Contenuti di questa lezione (A1) Segnali analogici Quali obiettivi ha questo corso Come è organizzato Modalità di esame Test 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 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 I parametri che definiscono un segnale analogico sono: intervallo di ampiezza» valore max e min (dinamica),»eventuale DC contenuto spettrale» limiti di banda, forma dello spettro 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 9

10 Segnali digitali reali Errori con rappresentazione digitale Il segnale digitale è una sequenza di numeri, generalmente in base 2 discreto in tempo: è definito solo per alcuni istanti di tempo entro un certo intervallo discreto in ampiezza: può assumere solo alcuni valori entro un certo intervallo Quantizzazione: numero finito di valori rappresentabili N bit : 2 N valori, quindi Errore di quantizzazione ε Q = 100/2 N % = 1M/2 N PPM»esempio: 2 8 = 256 ε Q = 0,4 % Campionamneto: valori definiti solo a tempi discreti intervallo tra campioni Ts, Fs = 1/Ts sono rappresentabili segnali con banda Fa limitata a Fs/2 (criterio di Nyquist)» esempio: Fs = 20 khz, Fa = 10 khz Simulatore degli effetti della quantizzazione disponibile sul sito Ulisse 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Parallelismo di segnali binari Trasferimento di segnali digitali I numeri possono essere rappresentati e trasferiti in forma seriale o parallela: N bit bit Informazione sequenziale (bit presenti in tempi successivi su unico filo) Informazione parallela (bit presenti nello stesso tempo su fili diversi) I segnali digitali sono generalmente cadenzati da un segnale di clock CLOCK SEGNALE DIGITALE INFORMAZIONE trasferimento parallelo: N bit con un clock N bit contemporaneamente, in un tempo Tck trasferimento seriale: N bit con N cicli di clock 1 bit alla volta, in un tempo N Tck 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Rumore e disturbi Degradazione del segnale analogico A ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore il il rumore NON trasporta informazione utile Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore. Per il segnale analogico il rumore determina una degradazione non recuperabile dell informazione. 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 10

11 Degradazione del segnale digitale Ripristino del segnale digitale Per il segnale digitale la degradazione del segnale digitale dovuta al rumore è recuperabile (se contenuta entro certi limiti). Grazie alla discretizzazione in ampiezza del segnale digitale, è possibile ricostruire il valore originario confrontando il segnale con una soglia. 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Rumore e segnali digitali Interfaccia tra analogico e digitale Per un segnale digitale gli effetti del rumore non sono cumulativi, perché può essere ripristinato a intervalli regolari. Questo consente di eseguire sul segnale catene di operazioni complesse (con tecniche digitali). Perché non vi sia perdita di informazione il rumore deve essere limitato, e il segnale deve essere periodicamente ricostruito. Simulatori degli effetti del rumore su segnali analogici e digitali sono disponibili sul sito Ulisse I segnali fisici (trasduttori e attuatori) sono prevalentemente analogici. E possibile convertire un segnale analogico in numerico con un sistema di CONVERSIONE ANALOGICO/DIGITALE () E possibile convertire un segnale numerico in analogico con un sistema di CONVERSIONE DIGITALE/ANALOGICO () 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Analogico - digitale - analogico Dove vanno i sistemi elettronici? La maggior parte dei sistemi elettronici comprende: interfacce verso il mondo esterno (front-end) analogico conversione trattamento del segnale numerico conversione interfacce verso il mondo esterno (back-end) analogico I sistemi elettronici tendono a migrare verso il digitale, tempo Sensori e front-end analogico Sistema numerico Attuatori e back-end analogico Sensori e front-end analogico Sensori Sistema numerico Attuatori e back-end analogico Sistema numerico Attuatori 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 11

12 Vantaggi del digitale Limiti del digitale Perché aumenta il digitale: Sono disponibili strumenti automatici per il progetto e la realizzazione di moduli digitali, Si possono ottenere circuiti integrati digitali di complessità più alta rispetto a quelli analogici, La realizzazione di circuiti integrati digitali ha costi più bassi. E possibile realizzare sistemi di elaborazione digitali con errori progettabili errore in ampiezza: 1/2 N (N = num bit)» per aumentare la precisione aumentare il numro di bit errore in banda: legato a Ts (intervallo tra campioni)» per ampliare la banda campionare più fitto 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 ~100 MHz quasi tutto analogico) 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Sommario lezione A1 - segnali Prerequisiti gruppo di lezioni B Rassegna dei tipi di segnale in un sistema ELN: analogico/digitale Legame tra rappresentazioni in tempo e in frequenza variazioni rapide > componenti ad alta frequenza Rumore, degradazione del segnale, SNRq Recupero del segnale digitale dal rumore Parametri di un segnale digitale (binario) num bit N, cadenza (Ts), codifica seriale/parallela Vantaggi e limiti della tecnologia digitale più semplice progettazione, errori controllabili. 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 sul testo 1.6 Amplificatori 11.1/2/4 Sistemi analogici Uso del simulatore circuitale PSPICE Uso degli strumenti base di laboratorio 11/22/ SisElnA DDC 11/22/ SisElnA DDC Page DDC 12