STRUMENTAZIONE ELETTRONICA E SENSORI + LABORATORIO

Crediti: 
12
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire un'approfondita conoscenza e comprensione di:
1. modo di operare di oscillatori quasi-sinusoidali,
2. principi di condizionamento dei segnali nella strumentazione elettronica,
3. analisi di rumore
4. filtri attivi tempo-continui
5. principi fisici di funzionamento dei sensori
6. modelli matematici di trasduzione fra differenti domini energetici

In aggiunta, uno studente che completi con successo il corso, dovrebbe essere in grado di fare le seguenti cose:
1. progettare oscillatori quasi-sinusoidali, filtri e circuiti di condizionamento dei segnali
2. progettare sensori e trasduttori per grandezze fisiche, i rispettivi circuiti d'interfaccia e accurate tecniche di misura

Infine, al termine dell'attività di laboratorio lo Studente potrà dimostrare

1. Abilità hardware e di utilizzo della strumentazione:
1.1. Capacità di utilizzo corretto della strumentazione di base da laboratorio
1.2. Capacità di verifica/comprensione di un setup sperimentale
1.3. 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.) come visti in Elettronica 2.
Familiarità con l'utilizzo degli strumenti di misura.

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

2. SENSORI
2.1. sensori e attuatori: modelli a costanti concentrate,
2.2. trasduttori a conservazione di energia, dinamica dei sistemi lineari e non
2.3. elasticità, tensori di sforzo e deformazione, matrici di rigidità e cedevolezza. Elementi di strutture meccaniche
2.4. principi fisici di trasduzione, modellizzazione e applicazioni
2.4.1. sensori termici
2.4.2. sensori di deformazione
2.4.3. sensori capacitivi
2.4.4. sensori magnetici
2.4.5. sensori e attuatori magnetostrittivi
2.4.6. sensori e attuatori piezoelettrici

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 piezo, 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, 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.
Software utilizzati: ADS e Matlab

Programma esteso

Argomenti di teoria:

1. STRUMENTAZIONE ELETTRONICA (36 ore)
1.1. componenti per il condizionamento dei segnali quali: (Totale: 20 ore)
1.1.1. amplificatori elettronici (11 ore)
1.1.1.1. 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 (2 ore)
1.1.1.2. 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) (5 ore)
1.1.1.3. amplificatori operazionali a trans-conduttanza (OTA): caratteristiche (1 ora)
1.1.1.4. amplificatori ad isolamento, (1 ora)
1.1.1.5. differenziali e per strumentazione (soluzioni comuni a VFA, CFA e OTA) (2 ore)
1.1.2. filtri attivi (6 ore)
1.1.2.1. specifiche
1.1.2.2. sintesi di filtri passa-basso di Butterworth e Chebyshev
1.1.2.3. trasformazioni di frequenza per la sintesi di filtri passa-alto e passa-banda
1.1.2.4. sintesi con sezioni Bi-Lin e Bi-Quad
1.1.2.5. Sintesi attiva RC
1.1.2.6. Sensitività
1.1.3. circuiti non-lineari (amplificatori logaritmici, moltiplicatori) (3 ore)
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
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

2. SENSORI (30 ore)
2.1. sensori e attuatori: introduzione, modelli a costanti concentrate; (1 ora)
2.2. trasduttori a conservazione di energia, dinamica dei sistemi lineari e non-lineare con esempi a trasduttori elettrostatici e magnetici (5 ore)
2.3. Elasticità, tensori di sforzo e deformazione, matrici di rigidità e cedevolezza. Elementi di strutture meccaniche (4 ore)
2.4. Principi fisici di trasduzione, modelli e applicazioni
2.4.1. sensori termici (3 ore)
2.4.1.1. espansione termica, trasferimento del calore, effetti Seebeck and Peltier
2.4.1.2. termocoppie,
2.4.1.3. sensori a giunzione pn,
2.4.1.4. RTD (sensori a conduttore), Termistori NTC e PTC
2.4.1.5. anemometro a filo caldo
2.4.2. sensori di deformazione (4 ore)
2.4.2.1. resistenza e resistività specifica, sensibilità alla temperatura e alle deformazioni nei conduttori, effetto piezoresistivo,
2.4.2.2. tecniche di condizionamento dei segnali per sensori resistivi (ponti, linearizzazione)
2.4.3. sensori capacitivi (1 ora)
2.4.3.1. esempi di applicazione
2.4.4. sensori magnetici (5 ore)
2.4.4.1. magnetismo (leggi di Faraday, Ampère, induzione),
2.4.4.2. applicazioni (fluxgate, search-coil, LVDT), condizionamento (rilevatore sincrono applicato al fluxgate)
2.4.4.3. effetto Hall e magnetoresistenze
2.4.5. magnetostrizione, applicazioni a attuatori e sensori di posizione (1 ora)
2.4.6. sensori piezoelettrici (6 ore)
2.4.6.1. effetto piezoelettrico, modelli
2.4.6.2. condizionamento dei segnali nel progetto pratico di sensori a bassa-frequenza e alla risonanza

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 piezo, 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, 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 di consultazione

A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES, 4a Ed. (sulla 6a in inglese), 2013

P.U.Calzolari, S.Graffi. Elementi di Elettronica, Zanichelli Editore.

S. Franco, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, 3rd ed., McGrawHill, 2002 (ISBN: 0071207031)

S.D. Senturia, Microsystem Design, Springer, 2001,
(ISBN: 978-0-7923-7246-2) Cap.5-10

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/

ADS manual.

Metodi didattici

Ci saranno 33 Lezioni da 2 ore ciascuna e un certo numero di esercizi da svolgere a casa.
Verrà inoltre assegnato un progetto di laboratorio, che sarà sviluppato nel corso di 11 settimane (4 ore consecutive alla settimana).

Maggiori informazioni saranno disponibili all'inizio del corso sulla pagina web

Modalità verifica apprendimento

Valutazione:

Compiti a casa: 2/16
Presentazione orale del progetto prima di Natale: 2/16
Rapporto dovuto entro la fine di Gennaio: 3/16

Esame orale: 9/16

Altre informazioni