Ingegneria dell Informazione Lezione A0 - Introduzione ELETTRONICA APPLICATA E MISURE Dante DEL CORSO Franco FERRARIS A0 - INTRODUZIONE» Obiettivi» Organizzazione»Esami» Richiami Obbiettivi di questo corso Materiale didattico Organizzazione dei laboratori Modalità di esame Organizzazione dei contenuti Prerequisiti (richiami da corsi precedenti) Segnali analogici e segnali digitali: vantaggi e problemi Circuiti analogici con AO Circuiti logici combinatori Strumentazione e misure di base Sommario e test finale 30/09/2013-1 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-2 ElapMisA0-2013 DDC, FF Elettronica per ICT Non-Elettronici Sistemi e Tecnologie Elettroniche MATEMATICA, INFORMATICA ELETTROTECNICA, FISICA,.. SISTEMI E TECNOLOGIE ELETTRONICHE ELETTRONICA APPLICATA E MISURE Concetti base e metodologie, amplificatori, dispositivi ELN, Tecniche base di misura Circuiti digitali e misti, Interconnessioni, Conversione A/D/A, Gestione energia, Strumentazione e metodi di misura Concetti base e metodologie caratterizzanti l Elettronica:» unità funzionali, definite tramite parametri ai morsetti (modelli),» principio e uso della reazione (amplificatori operazionali),» differenza tra segnali e tecniche analogiche e numeriche,» Dispositivi elettronici base. Fondamenti di misure elettroniche» Concetti e metodi di base» Uso dei principali strumenti di misura Obbiettivi Capacità di analizzare semplici circuiti elettronici Capacità di usare strumenti di misura di base 30/09/2013-3 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-4 ElapMisA0-2013 DDC, FF Elettronica Applicata e Misure Docenti Analisi di moduli funzionali analogici e digitali Parametri, struttura interna e circuiti di moduli per» Circuiti digitali e Interconnessioni» Conversione A/D e D/A» Gestione dell energia Tecniche e principi di misure elettroniche Metodi e tecniche di misurazione Uso e struttura interna di alcuni strumenti di misura Sensori di misura Obbiettivi Analisi, progetto e collaudo di semplici sistemi elettronici Argomenti di Elettronica e Misure intercalati Calendario dettagliato sul portale Lezioni con argomenti di Elettronica Dante Del Corso (lezioni) Leonardo Reyneri Paolo Bardella Lezioni con argomenti di Misure Franco Ferraris (lezioni) Giovanni Costanzo Simone Corbellini 30/09/2013-5 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-6 ElapMisA0-2013 DDC, FF Page 1 2013 - DDC/FF 1
Testi di riferimento Materiale didattico siti web D. DEL CORSO: Elettronica per Telecomunicazioni, MCGRAW-HILL 2003 (print-on-demand: Cap: 2, 4, 5) M. ZAMBONI: Elettronica dei sistemi di interconnessione, CLUT, 1996 F. MALOBERTI: Understanding Microelectr.: A Top-Down Approach Wiley, December 2011, ISBN: 978-0-470-74555-7 A. CARULLO, U. PISANI, A. VALLAN: Fondamenti Di Misure E Strumentazione Elettronica, CLUT 2006 Portale della didattica Informazioni e materiale personale (voti scritti e laboratori) Registrazione video delle lezioni Materiale didattico riservato agli studenti iscritti Sito web pubblico (link dal portale) Copie delle slide Guide di laboratorio, esempi di esercizi ed esami, SW vario per simulatori, Sito laboratori LED: http://led.delen.polito.it/ Caratteristiche componenti, Data sheet, Manuali strumenti, 30/09/2013-7 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-8 ElapMisA0-2013 DDC, FF Videoregistrazioni Esempi, test, esercizi Il corso viene videoregistrato Registrazione delle lezioni visibili/scaricabili dal portale Copie dei lucidi e altro materiale per ELN a: (link dal portale) http://areeweb.polito.it/didattica/corsiddc/03moa Guardare una videoregistrazione è diverso dal seguire una lezione in aula Valutate quale è il vostro learning style Utilizzate in modo efficace le registrazioni Segnalare errori e malfunzionamenti Videoregistrazioni salvatore.barbagallo@polito.it Contenuti docenti Esempi presentati durante la lezione Lista di quesiti al termine della lezione Verificare la comprensione dei punti chiave Opportuno rivedere subito le parti con carenze Esercizi: esercitazioni in aula, previste a calendario Testi disponibili prima dell esercitazione in aula Risolti passo-passo in aula Due modi di utilizzo:» Provare a risolverli da soli; verifica delle soluzioni in aula (massima utilità ed efficacia, richiede lavoro autonomo).» Aspettare la soluzione in aula (minimo lavoro e minimo apprendimento). 30/09/2013-9 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-10 ElapMisA0-2013 DDC, FF Scopo di esercizi e test Collaborazione e lavoro coordinato I guasti devono essere individuati appena possibile Prima della consegna al cliente finale Le lacune vanno corrette PRIMA dell esame Quesiti di lezione individuare subito lacune o incomprensioni Esercizi applicare la teoria a nuove situazioni L ingegnere fa progetti, non esercizi ed esami, ma Per diventare ingegneri bisogna (anche) superare esami Per superare esami bisogna (anche) saper risolvere esercizi Per risolvere esercizi bisogna (anche) conoscere la teoria L ingegnere lavora raramente da solo; la collaborazione è parte importante del lavoro reale. Occorre imparare a collaborare in modo efficace; Esercitazioni di laboratorio: occorre 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. Formate gruppi per risolvere gli esercizi in aula Questo principio non vale per gli esami! L esame è una attività individuale 30/09/2013-11 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-12 ElapMisA0-2013 DDC, FF Page 2 2013 - DDC/FF 2
Esercitazioni di laboratorio Organizzazione dei laboratori L ingegnere usa modelli matematici per progettare La correttezza di un modello e la rispondenza del progetto alle specifiche vanno verificate con esperimenti Il corso comprende esercitazioni di laboratorio, per Verificare correttezza e limiti dei modelli usati Abituare al lavoro di gruppo Dare capacità di lavoro sperimentale e uso degli strumenti Prerequisito essenziale SISTEMI E TECNOLOGIE ELETTRONICHE L attività di laboratorio concorre al voto finale Laboratorio facoltativo, ma obbligatorio a scelta fatta Presenza rilevata (ingresso nei primi 10 ) Devono essere consegnate relazioni di tutte le esperienze Punteggio addizionale (+/-2) legato alla relazione valutata Corso diviso in turno A (A-xx) e turno B (xx-z) Settimane alterne, stesso orario, turno diviso in due stanze 16/14 banchi di lavoro, 3-4 persone per banco (gruppi) Iscrizioni e formazione gruppi nella prima settimana 3 laboratori di ELN + 3 Laboratori di MIS Devono essere consegnate 3 relazioni per ELN e 3 per MIS Sono valutate una relazione ELN e una MIS (estratte a sorte) 30/09/2013-13 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-14 ElapMisA0-2013 DDC, FF Esercitazioni in aula e laboratori Calendario dettagliato Possibili diverse organizzazioni settimanali Tipo Attività orea oreb 1: esercitazione Aula, no laborat. 7,5 7,5 2: eserc. Aula + lab squadra A 10,5 7,5 3: eserc. Aula + lab squadra B 7,5 10,5 4: no eserc. Aula + lab squadra A 7,5 4,5 3: no eserc. Aula + lab squadra B 4,5 7,5 Reperibile dal sito web Orari e argomenti settimana per settimana Indica in quali settimane è previsto il laboratorio e per quali squadre Aggiornato periodicamente verificare spesso!! Verificare il calendario pubblicato Ore totali (nominali) 102 30/09/2013-15 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-16 ElapMisA0-2013 DDC, FF Funzionamento dei laboratori Modalità di esame Prima dei laboratori occorre Scaricare e leggere attentamente il testo dell'esercitazione. Svolgere tutti i passaggi per il progetto del circuito ed il calcolo dei valori dei componenti da montare. Predisporre uno schema di relazione. I laboratori hanno un orario All inizio vengono rilevate le presenze e dati avvisi. No ingressi a esercitazione in corso. Il laboratorio verrà usato da altri Lasciare banchi e materiale in ordine. Segnalare eventuali guasti. Prova scritta (Voto massimo : 27) 10 quiz, 4 risposte (una OK); 4 MIS + 6 ELN 10 punti max 2 domande ELN, o 1 + 1; risposta aperta 8 punti max 3 esercizi; 1 di misure e 2 di elettronica 9 punti max Valutazione delle relazioni di laboratorio Sorteggiate 1 ELN + 1 MIS +- 2 punti Prova orale facoltativa (domanda MIS o ELN, a caso) Obbligatoria per ottenere 30 o 30 lode Chiesta da allievo, solo per compiti superiori a 15/30 Chiesta da docente, per scritti dubbi/sospetti Voto finale = voto scritto + [relazione lab] + [orale] 30/09/2013-17 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-18 ElapMisA0-2013 DDC, FF Page 3 2013 - DDC/FF 3
Punti supplementari negativi Argomenti e gruppi di lezioni L uso di telefono e altri apparati di comunicazione è Non necessario Scoraggiato Vietato, se disturba la lezione Ogni squillo può portare a interrogazione con valutazione (-3 +1), o tesina obbligatoria: Radiazioni di un cellulare Come è fatto e come funziona il vibracall Meglio spegnere/silenziare all inizio Lezioni suddivise in gruppi di argomenti: A0 Introduzione (questa lezione) A Misure elettroniche B Circuiti digitali C Interconnessioni D Sistemi di acquisizione dati E Gestione dell energia F Strumentazione elettronica G Sensori 30/09/2013-19 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-20 ElapMisA0-2013 DDC, FF Lezione A0 - Introduzione Prerequisiti generali Obbiettivi di questo corso Materiale didattico Organizzazione dei laboratori Modalità di esame Organizzazione dei contenuti Prerequisiti (richiami da corsi precedenti) Segnali analogici e segnali digitali: vantaggi e problemi Circuiti analogici con AO Circuiti logici combinatori Strumentazione e misure di base Sommario e test finale Elettrotecnica, matematiche, fisica Reti RLC con generatori pilotati, metodo simbolico Calcolatori Architetture e circuiti digitali, memorie, Sistemi e tecnologie elettroniche Comportamento e parametri dei dispositivi elementari Circuiti con Amplificatori Operazionali Porte logiche base, parametri elettrici Teoria dei segnali (corso parallelo) Analisi in frequenza (qualitativa) 30/09/2013-21 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-22 ElapMisA0-2013 DDC, FF Sistemi elettronici e moduli Segnali analogici Un sistema elettronico è fatto di moduli interconnessi. La maggior parte dei progettisti utilizza moduli e componenti costruiti da altri. Cosa occorre sapere per usare i moduli? Funzione Segnali I/O Alimentazione Il segnale analogico è continuo su due assi Tempo: è definito per qualsiasi istante di tempo entro un certo intervallo Ampiezza: può assumere qualsiasi valore entro un certo intervallo Parametri : Intervallo di ampiezza» valore max e min (dinamica),» eventuale DC Contenuto spettrale» banda, forma dello spettro A S 0 0 t 30/09/2013-23 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-24 ElapMisA0-2013 DDC, FF Page 4 2013 - DDC/FF 4
Segnali digitali Recupero del segnale digitale Il segnale digitale è una sequenza di numeri, generalmente in base 2 Discreto in tempo: definito solo per alcuni istanti di tempo entro un certo intervallo Discreto in ampiezza: può assumere solo alcuni valori entro un certo intervallo Parametri : Dinamica di ampiezza» Legata al numero di bit Banda (in frequenza)» Legata alla cadenza dei campioni t1 t2 t3 t4 t5 Formato: parallelo o seriale 8 bit, 2 8 = 256 valori Ogni passo aggiunge rumore. Il rumore determina un degrado non recuperabile dell informazione. Per i segnali digitali il degrado dovuto al rumore è recuperabile (se contenuto entro certi limiti). 30/09/2013-25 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-26 ElapMisA0-2013 DDC, FF Perché usare segnali digitali? Come usare i segnali digitali? Il segnale digitale può essere ripristinato, quindi Gli effetti del rumore non sono cumulativi È possibile eseguire sul segnale operazioni complesse, impossibili con tecnica analogica per il cumulo del rumore Sono disponibili strumenti automatici per il progetto e la realizzazione di moduli digitali Il progetto di un circuiti digitale è rapido e automatico I circuiti integrati digitali hanno costi più bassi Il comportamento dei circuiti digitali è facilmente modificabile SW o altra programmazione Con un segnale digitale, perché non vi sia perdita di informazione occorrono Corretto interfacciamento, statico e dinamico Verifica dei limiti operativi Corretta scelta della tecnologia di sistema Periodica ricostruzione del segnale argomenti trattati nelle lezioni del gruppo B 30/09/2013-27 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-28 ElapMisA0-2013 DDC, FF Esistono segnali solo digitali? Analogico - digitale - analogico Gli stati logici sono rappresentati con tensioni (Volt) Stato logico 3 V Rappresentazione 0,5 V 1 0 1 1 0 Le tensioni sono affette da rumore, disturbi, richiedono tempo per spostarsi, consumano energia, irradiano onde elettromagnetiche, L elettronica digitale ha una base analogica! argomenti trattati nelle lezioni del gruppo C t Un sistema elettronico comprende: interfacce verso il mondo esterno (front-end) analogico conversione A/D trattamento del segnale numerico conversione D/A interfacce verso il mondo esterno (back-end) analogico Misure Sensori e front-end analogico Calcolatori A/D Sistema numerico Elettronica Applicata D/A Attuatori e back-end analogico Sistema elettronico 30/09/2013-29 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-30 ElapMisA0-2013 DDC, FF Page 5 2013 - DDC/FF 5
Il digitale risolve tutto? Da dove arriva l energia? I segnali digitali hanno limiti intrinseci Campionamento: valori definiti solo a tempi discreti» rappresentabili segnali con banda limitata a Fs/2 (Nyquist) Quantizzazione: numero finito di valori rappresentabili» N bit : 2 N valori, quindi errore di quantizzazione 1/2 N I moduli utilizzano Segnali (trasportano informazione) Alimentazioni (trasportano energia) INFO IN Val GND INFO OUT Come passare da A a D e da D ad A con bassi errori? Analizzare i parametri del sistema Scegliere il tipo di convertitore A/D e D/A Eseguire un pretrattamento opportuno dei segnali argomenti trattati nelle lezioni del gruppo D Il sistema di alimentazione distribuisce energia come tensione continua (Val) E un sottosistema complesso! argomenti trattati nelle lezioni del gruppo E 30/09/2013-31 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-32 ElapMisA0-2013 DDC, FF Prossime lezioni Lezione A0 - sommario Il corso alterna gruppi di lezioni Elettronica / Misure 30/9 18/9: Misure 14/10 2/12: Elettronica 4/12 20/12: Misure Parte finale: esercizi misti Per le prossime lezioni di Elettronica: Scaricare i lucidi della lezione B1 (richiami di Sistemi e Tecnologie Elettroniche) Guardarli prima della lezione Chiarirsi eventuali dubbi Predisporre eventuali quesiti» La lezione riprenderà la teoria solo su argomenti a richiesta Obbiettivi di questo corso Materiale didattico Organizzazione dei laboratori Modalità di esame Organizzazione dei contenuti Prerequisiti (richiami da corso precedente lez B1) Circuiti analogici con AO Circuiti logici combinatori Richiami di Elettronica nella lezione B1 verificarli prima della lezione in aula!! Test finale di verifica: alla fine di tutte le lezioni 30/09/2013-33 ElapMisA0-2013 DDC, FF 30/09/2013-34 ElapMisA0-2013 DDC, FF Lezione A0 test conclusivo Cosa avrò imparato al termine di questo corso?. Dove posso trovare il materiale didattico? Perché è utile fare i laboratori? Devo venire a lezione o posso solo guardare le registrazioni? Cosa devo fare PRIMA di andare in laboratorio? Cosa devo fare del telefonino appena entro in aula? Perché i sistemi elettronici sono sempre più digitali? Quali sono i parametri elettrici di un circuito logico? So usare gli strumenti di misura base? Cosa devo fare prima di uscire dal laboratorio? Cosa devo fare se non so rispondere a queste domande? 30/09/2013-35 ElapMisA0-2013 DDC, FF Page 6 2013 - DDC/FF 6