Elettronica per l’informatica - corsiadistanza.polito.itcorsiadistanza.polito.it/on-line/Elettronica_informatica/lezione0/... · Elettronica per l’informatica 2 Lezione A0 Presentazione

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Elettronica per l’informatica

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Lezione A0

Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutiMateriale didattico

Sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati

Richiami su condizionamento di segnale

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Elettronica per l’informatica

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Indice della lezione A0

Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutiMateriale didattico

Sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati

Richiami su condizionamento di segnale

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Ruolo di questo corso

Elettronica nella laurea in informatica:Sistemi elettroniciDispositivi e circuiti

Elettronica per informaticaSistemi, moduli e circuiti elettronici per applicazioni di sistema (es. Acquisizione dati)

architetturecircuiti tipicianalisi di applicazionigestione della potenza

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Obiettivi di questo corso

Sviluppare capacità di analisi critica a livello di sistema

Impostare ed eseguire una verifica attraverso simulazioni e misure.

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Organizzazione di questo corso

Lezioniflusso principale navigabile con audio + cartellimateriale su finestre richiamate da hotword

Esercizitest di fine lezioneesempi svolti (disponibili poi anche sul sito come aggiornamenti)

Laboratorioguide per lo svolgimento delle esercitazioni(saranno disponibili sul sito)

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Finestre esterne

L’apertura della finestra esterna blocca il videoper continuare chiuderla e premere “play”

Il materiale presentato nelle finestre esterne è disponibile nel CD (files .pdf stampabili)

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Obiettivi di questa lezione

Descrivere organizzazione, contenuti e caratteristiche del moduloTipologia e utilizzo del materiale didattico

Lezioni CDTesto su cartaMateriale aggiuntivo

Descrivere l’applicazione di riferimentosistema di acquisizione dati

Primo argomento: richiami su condizionamento di segnale con amplificatori operazionali

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Prerequisiti per il modulo

Elettronica applicata, comunicazioni, calcolatori:da Sistemi ELN + Dispositivi e Circuiti ELN

amplificatori operazionali, transistori bipolari e MOScircuiti digitali (porte, flip-flop, registri, contatori, …)

da Teoria dei segnalianalisi di segnali, spettri in frequenza, modulazioni.

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Contenuti

Argomenti raccolti in Unità

0: presentazione, sistema di riferimento, richiami (questa lezione)

A: bus di comunicazione

B: linee

C: sistemi di conversione A/D/A

D: gestione della potenza

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Elettronica per l’informatica

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Indice della lezione A0

Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutiMateriale didattico

Sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati

Richiami su condizionamento di segnale

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Materiale didattico

Testo su carta:J. Millman, A. Grabel: Microelectronics. Editore: McGraw HillDante Del Corso: Elettronica per telecomunicazioni. Editore: McGraw Hill

Sito webhttp://corsiadistanza.polito.it/cetem/corsi/db/04EJIN/

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Laboratorio

Sono disponibili manuali e guide per le esercitazioni e le relazioni (testo e sito web)

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Materiale su CD-ROM - 1

Il CD-ROM contiente materiale didattico supplementare:

Esempi di esercizi risolti

Note applicative

Data sheet

Parte di questo materiale viene usata nelle lezioni

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Elettronica per l’informatica

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Indice della lezione A0

Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutiMateriale didattico

Sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati

Richiami su condizionamento di segnale

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Sistema di riferimento

Principale applicazione di riferimento:Sistema di acquisizione

Un sistema di acquisizione dati s i compone di diverse parti per:

“sentire” variabili fisiche (attraverso deisensori/trasduttori)Effettuare il condizionamento elettrico dei segnaliin modo da renderli “leggibili” da una scheda di acquisizione A/DConvertire i segnali analogici in formato digitaleProcessare, analizzare, immagazzinare e visualizzare i segnali acquisiti con l’aiuto del software

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Sistema di riferimento

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Sistema di riferimento

Trasduttori“traducono” i fenomeni e le grandezze fisiche in segnali elettrici

TemperaturaPressioneUmiditàLuceForzaSpostamentoLivelloEtc...

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Sistema di riferimento

Condizionamento di segnaleI segnali elettrici vengono “condizionati” in modo da essere correttamente utilizzati dal front-endanalogico delle schede di acquisizione

IsolamentoAmplificazioneLinearizzazioneFiltraggio

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Sistema di riferimento

Schede di acquisizione A/DSegnale di ingresso

continuo nel tempo e nelle ampiezze (analogico)digitale (on/off)

Campionamentoaliasing

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Sistema di riferimento

Schede di acquisizione A/DRange

Valori (di tensione) max. e min. che il convertitore A/D può quantizzareSelezionabili in maniera hardware o software

RisoluzioneQuantizzazione nelle ampiezze

Software di acquisizionePuò essere il fattore più critico per ottenere informazioni affidabili e alte prestazioniTrasforma il PC e l’HW in un sistema completo di acquisizione, analisi e visualizzazione dati

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Sistema di riferimento

Software di acquisizione datiProgrammable software

Utilizzo di linguaggi di programmazioneFlessibile e completoComplesso e con tempi lunghi di realizzazione

Data acquisition softwareNon richiede programmazionePermette allo sviluppatore di progettarecomunque strumentidedicati all’analisi deidati (Es. LABVIEW)

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Sistema di riferimento

Progettare un sistema di acquisizione datiElementi chiave nella scelta dell’architettura e dei componenti:

Applicazione fissa o mobile?Tipo di segnali di I/O: analogici o digitali?Frequenza dei segnali di ingresso?Funzionamento continuo?Compatibilità tra hardware e software: i drivers delle schede A/D sono disponibili?Prezzo?

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Sistema di riferimento

ANALOGfront-end

PCIcontroller

PCIbus

Digitalprocessing

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Elettronica per l’informatica

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Indice della lezione A0

Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutimateriale didattico

sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati

Richiami su condizionamento di segnale

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Amplificatore Operazionale ideale

Tensione di uscita:

VU = Ad Vd = Ad (V1 - V2)

I+

VU= Ad Vd

Ad

I-

Vd

V1

V2

+

-

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Amplificatore Operazionale ideale

Tensione di uscita:

VU = Ad Vd = Ad (V1 - V2)

Correnti di ingresso nulleI+, I- = 0

I+

VU= Ad Vd

Ad

I-

Vd

V1

V2

+

-

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Amplificatore Operazionale ideale

Tensione di uscita:

VU = Ad Vd = Ad (V1 - V2)

Correnti di ingresso nulleI+, I- = 0

Guadagno Ad → ∞

I+

VU= Ad Vd

Ad

I-

Vd

V1

V2

+

-

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Amplificatore Operazionale ideale

Tensione di uscita:

VU = Ad Vd = Ad (V1 - V2)

Correnti di ingresso nulleI+, I- = 0

Guadagno Ad → ∞

I+

VU= Ad Vd

Ad

I-

Vd

V1

V2

+

-

Vd = VU/Ad = 0

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Circuiti base con operazionali

La reazione permette di controllare i parametri di un modulo tramite elementi passivi

Quattro configurazioni base di reazione:V/V, V/I, I/V, I/I

Per cosa utilizziamo gli operazionali:Condizionamento di segnaleFiltriSistemi di acquisizioneApplicazioni di potenza

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Amplificatore di tensione

La reazione permette di realizzare un amplificatoredi tensione con guadagnoassegnato (AR)

Ri alta, Ru bassa

2

211

21

2

R

RR

IVUV

RA

RR

R

+===

+=

β

β

R2

R1

Ad

V I

-

+

VU

Vd

VE

AR, Ri, RuVI VU

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Amplificatore non invertente

Il guadagno dipende solo dalledue resistenze R1 e R2

Ri alta, Ru bassa2

211

2

211

0,0

R

RR

IVU

V

RA

IVR

RR

IVUV

UVIVdV

quindidA

dV

dA

UV

+===

+==

=−=

∞→

=

β

β

β R2

R1

Ad

V I

-

+

VU

Vd

VE

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Effetto della reazione sui parametri

Il guadagno Ar dipende solo da R1/R2

Resistenza di ingresso Ri

corrente nulla nel morsetto di ingresso: Ri → ∞

Resistenza di uscita Rula frazione di tensione di uscita riportataall’ingresso non dipende dal carico: Ru = 0.

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Circuito di riferimento

Av = Ar = R1/R2 + 1

Ri → ∞.

Ru = 0.

Il guadagno dipende solo dalle due resistenze R1 e R2

Ri è alta, quindi il rapporto Vu/Vi non dipende da RS

Ru è bassa quindi il rapporto Vu/Vi non dipende da RL

I1=0

VU

AV, RI→ ∞ , Ru = 0

VI =V1

RSRL

VI

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Amplificatore invertente

Questa configurazionepermette di realizzareamplificatori invertenti o di transresistenza

Ri = R1 Ru bassa

1

2

I

UR

21

I21U

1

I1

RR

VV

A

RRV

RIV

RV

I

−==

−=−=

=

AR, Ri, RuVI VU

R1

VI

-+

VU

R2

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Generalizzazione con Z

Quanto visto con R vale per Z qualsiasi:

Z1

AO 1

VI-

+

VU

Z2

I1

2U V

ZZ

V ⋅−=I2

21U V

ZZZ

V+

=

Z1

AO 1VI

-

+

VU

Z2

21

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Vari tipi di amplificatori

Caratteristiche degli amplificatori:ingresso in tensione:

Impedenza di ingresso altauscita in tensione:

Impedenza di uscita bassaingresso in corrente:

Impedenza di ingresso bassauscita in corrente:

Impedenza di uscita alta

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Amplificatori con ingresso in tensione

R2

R1

Ad

V I

-

+

VU

VD

VE

Rs

Rc

Ad

V I

-

+

IUVD

VS

Uscita in tensione

Uscita in corrente

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Amplificatori con ingresso in corrente

AO

II-

+VU

RmIM

I-

VD

AO

II

-

+

R1

IU

I-

VD

R2I1 I2

Zc

Uscita in tensione

Uscita in corrente

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Sommario della lezione A0

Presentazione del moduloObiettivi, prerequisiti, contenutimateriale didattico

sistema di riferimento: sistema di acquisizione dati

Richiami su condizionamento di segnale

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Test finale lezione A0

Quali sono i parametri fondamentali per un sistema di acquisizione?Cosa si intende per campionamento?Cos’è l’aliasing?Signal conditioning con amplificatori operazionaliQuali sono le Ri e Ro ottimali per amplificatori:

V → I, V → V, I → I, I → V

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Fonti

Dante Del Corso: Elettronica per telecomunicazioni. Editore: McGraw HillEdgar P. Casale: data acquisition system fundamentals . Ohio State University

National Instruments

Measurement Computing

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Prossima lezione (A1)

Architetture di interconnessioneBus, strutture e protocolliArchitetture tipiche di interconnessione ed esempi