CIRCUITI ELETTRONICI ANALOGICI E DIGITALI LEZIONE N° 3 (3 ore) Segnale analogico, Segnale campionato Segnale numerico, Segnale digitale Conversione A to D e D to A Classificazione dei Sistemi Elettronici Effetti dei disturbi e rumore, Distorsioni Frequenze tipiche dei segnali elettronici Definizione di “PROGETTO” Livelli di astrazione Sintesi e Analisi Strumenti CAD C.E.A.D.

Richiami Definizione di SISTEMA ELETTRONICO Trasduttori AMPLIFICATORE Equilibrio energetico in un amplificatore Breve storia dell’Elettronica Espansione di un Sistema Elettronico Blocchi base costituenti un Elaboratore Elettronico Sistemi di elaborazione numerica C.E.A.D.

Segnale analogico Un segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera continua nel tempo Ampiezza 6 5 4 3 2 1 t C.E.A.D.

Segnale campionato Viene “congelato” il valore che il segnale analogico assume a intervalli regolari di tempo Ampiezza 6 5 4 3 2 1 TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC t C.E.A.D.

Segnale numerico 1 Viene assegnato al segnale campionato il valore numerico relativo all’intervallo di appartenenza Ampiezza 6 5 4 3 2 1 TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC t C.E.A.D.

Segnale numerico 2 Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico “codificato” Ampiezza 6 5 4 3 2 1 2 4 5 4 2 1 2 4 6 5 TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC TC t C.E.A.D.

Segnale Digitale Particolare segnale numerico che può assumere solo due valori “0” e “1” Al valore “0” si associa, per esempio, 0 V Al valore “1” si associa, per esempio, 5 V 1 1 1 1 1 1 1 1 TS TS TS TS TS TS TS TS TS TS TS TS C.E.A.D.

Errore di Quantizzazione Il segnale “Numerico” può assumere solo un numero finito di valori Discretizzazione Il segnale Analogico può variare con continuità Il segnale numerico rappresenta il segnale analogico solo in certi istanti, in altri istanti si commette un errore ERRORE DI QUANTIZZAZIONE Conversione di una rampa in una gradinata C.E.A.D.

Caratteristica di trasferimento Grafico della grandezza d’uscita in funzione della grandezza d’ingresso Esempio rampa lineare VU VU 5 AMP = 1 4 VI VU 3 A / N 2 VI VU 1 VI 1 2 3 4 5 C.E.A.D.

Grafico dell’Errore di Quantizzazione Differenza, in un determinato istante, fra il valore del segnale analogico e valore del segnale numerico Errore di quantizzazione VU VU 5 1 4 3 2 1 1 2 3 4 5 VI VI 1 2 3 4 5 C.E.A.D.

Minimizzazione dell’ERRORE Scegliendo il valore di commutazione in corrispondenza n+0.5 si ha il modulo dell’errore al massimo è pari a 0.5 VU VU Errore di quantizzazione 5 4 0.5 3 2 1 2 3 4 5 -0.5 1 VI 1 2 3 4 5 C.E.A.D.

Riepilogo Segnale analogico Segnale campionato Segnale numerico 1 Un segnale analogico ha un’ampiezza che varia in maniera continua nel tempo Segnale campionato Viene “congelato” il valore che il segnale analogico assume a intervalli regolari di tempo Segnale numerico 1 Viene assegnato al segnale campionato il valore numerico relativo all’intervallo di appartenenza Segnale numerico 2 Al segnale quantizzato si può associare il valore numerico “codificato” Segnale Digitale Particolare segnale numerico che può assumere solo due valori “0” e “1” Al valore “0” si associa, per esempio, 0 V Al valore “1” si associa, per esempio, 5 V C.E.A.D.

Codifica Un valore numerico può essere codificato in un numero N di segnali digitali Valore Numerico A B C 1 2 3 4 5 6 7 C.E.A.D.

Convertitori A/D Convertitore A/D Convertitore D/A A / D D / A segnale analogico Ü segnale digitale codificato Convertitore D/A segnale digitale codificato Ü segnale analogico A 1 A / D B 1 4 Vin C 1 A D / A 1 B Vout C 4 C.E.A.D.

Tipi di segnali Ingressi Uscite Natura dei sensori In larga parte forniscono segnali analogici Variazione di tensione, corrente Variazione di resistenza, capacità, induttanza, …. Segnali digitali di raggiunta posizioni Uscite Natura dell’attuatore Segnali analogici a frequenza variabile ampiezza variabile Segnali “ON” – “OFF” Digitali C.E.A.D.

Tipi di Elaborazione Elaborazioni lineari Amplificazione Somma di segnali Differenza di segnali Integrazione, derivazione Filtraggio Elaborazioni non lineari (Numeriche) Conteggio di impulsi temporizzazione Prodotto, divisione, medie pesate … Generazione di segnali sinusoidali, etc. C.E.A.D.

Classificazione in funzione delle Applicazioni Sistemi Elettronici per l’Automobile Sistemi Elettronici per le Telecomunicazioni Sistemi Elettronici per il Consumer Sistemi Elettronici per per i processi Industriali Sistemi Elettronici per per l’automazione Sistemi Elettronici per la Medicina Sistemi Elettronici per l’Elaborazione (Office) C.E.A.D.

Classificazione in funzione del tipo di ELABORAZIONE Sistemi Elettronici ANALOGICI Amplificazione Interfaccia d’ingresso e d’uscita scopo: processare e trasferire l’informazione fornita da un ingresso analogico con la minima DISTORSIONE Sistemi Elettronici DIGITALI Utilizza i dispositivi elettronici come interruttori I segnali d’ingresso e d’uscita sono impulsivi Scopo: processare e trasferire l’informazione fornita da un ingresso digitale con il minimo errore e la massima velocità Sistemi Elettronici di POTENZA Controllo e conversione dell’energia elettrica C.E.A.D.

Rumore nei Sistemi Analogici DEFINIZIONE Segnale estraneo dovuto a: Agitazione termica degli elettroni in resistenze Accoppiamento induttivo o capacitivo con segnali di altri sistemi Il rumore si somma direttamente al segnale analogico e quindi lo deteriora Il rumore viene amplificato insieme al segnale v t C.E.A.D.

Rumore nei Sistemi Digitali Il rumore si somma direttamente al segnale digitale e quindi lo deteriora È possibile ricostruire il segnale definendo gli intervalli entro i quali si attribuisce il valore alto e il valore basso 0V > basso > 2 V ; 3 V > alto > 5 v t v t C.E.A.D.

Distorsioni In un sistema lineare la grandezza di uscita deve essere una replica fedele dell’ingresso Se l’ingresso è sinusoidale l’uscita deve essere sinusoidale con la stessa frequenza AMP VU VI C.E.A.D.

Distorsioni 1 Errore di cimatura (Clipping) C.E.A.D.

Distorsioni 2 Errore di attraversamento (Crossover) C.E.A.D.

Distorsioni 3 Distorsione armonica C.E.A.D.

Tipi di segnali Il modo di realizzare un sistema elettronico dipende dalle frequenze proprie dei segnali Sistemi per bassa frequenza Sistemi per radio frequenze Sistemi per onde millimetriche C.E.A.D.

Frequenze tipiche di alcuni segnali Segnali sismici 1 ÷ 200 Hz Elettrocardiogramma 0.05 ÷ 100 Hz Segnali audio 20 Hz ÷ 15 kHz Segnali video 50 Hz ÷ 4,2 MHz Segnali radio AM 540 ÷ 1600 kHz Segnali radio FM 88 ÷ 106 MHz Video VHF 54 ÷ 60 MHz Video UHF 470 ÷ 806 MHz Telefonia cellulare 1 824 ÷ 891.5 MHz Video satellitare 3.7 ÷ 4.2 GHz Comunicazioni a microonde 1 ÷ 50 GHz C.E.A.D.

Cosa vuol dire progettare 1 Il progetto ingegneristico è il procedimento di concepire un sistema, un componente; ovvero il procedimento per raggiungere gli scopi desiderati. È un processo di scelta di decisioni (spesso iterativo), in cui si applicano sia le scienze di base che quelle ingegneristiche, per trasformare le risorse in modo ottimale per raggiungere un predeterminato obiettivo. Tra gli elementi fondamentali del processo di progetto ci sono lo stabilire gli obiettivi ed i criteri, la sintesi, l’analisi, la costruzione, il collaudo e la verifica. C.E.A.D.

Cosa vuol dire progettare 2 Il curriculum formativo di un progettista deve includere la maggior parte delle seguenti componenti:lo sviluppo della creatività, l’uso di problemi espandibili, lo sviluppo e l’uso delle teorie e delle metodologie di progetto, la formulazione dei passi e delle specifiche di progetto, la valutazione di soluzioni alternative, considerazioni sulla fattibilità, conoscenza dei processi produttivi, la progettazione concorrente e la descrizione dettagliata dei sistemi. Inoltre, è essenziale tenere presenti un insieme di vincoli quali: fattori economici, sicurezza, affidabilità, estetica, etica e impatto sociale. ABET Accreditation Board for Engineering and Technology C.E.A.D.

Progetto a livello di sistema Descrizione generale del prodotto Definizione delle specifiche Diagramma a blocchi Definizione delle specifiche dei blocchi Sintesi dei blocchi Integrazione dell’intero sistema Simulazione e modellizzazione Realizzazione del prototipo Collaudo e verifica C.E.A.D.

Diagramma di flusso Descrizione del prodotto Specifiche Confronto Diagramma a Blocchi Specifiche dei Blocchi Sintesi dei Blocchi Confronto Integrazione Sistema Simulazione Prototipo Collaudo C.E.A.D.

Progetto a livello di Circuito Studio del progetto Definizione degli obiettivi (requisiti) Strategia di progetto (blocchi funzionali) Topologia circuitale Scelta dei dispositivi e valori dei componenti Stima delle prestazioni Simulazione circuitale Stima dei costi, pianificazione Realizzazione prototipo e collaudo C.E.A.D.

Diagramma di flusso Studio del progetto Obiettivi => Specifiche Confronto Specifiche Diagramma a Blocchi Confronto Topologia circuiti Scelta componenti Stima delle prestazioni Simulazione Costi e pianificazione Prototipo e Collaudo C.E.A.D.

Livelli di astrazione Comportamentalre Funzionale Circuitale Testing Confronto Specifiche Studio del progetto Prototipo e Collaudo Diagramma a Blocchi Topologia circuiti Scelta componenti Stima delle prestazioni Simulazione Costi e pianificazione Obiettivi => Specifiche Funzionale Circuitale Testing C.E.A.D.

Sintesi - Analisi ANALISI SINTESI TOP UP DOWN BOTTOM C.E.A.D. Confronto Specifiche Studio del progetto Prototipo e Collaudo Diagramma a Blocchi Topologia circuiti Scelta componenti Stima delle prestazioni Simulazione Costi e pianificazione Obiettivi => Specifiche TOP UP DOWN BOTTOM C.E.A.D.

CAD Computer Aid Design Simulazione a livello comportamentale Partizione Hardware – Software Simulazione logica Stima delle prestazioni (modelli semplificati) Simulazione circuitale (modelli realistici) Verifica prestazioni Generazione Test pattern C.E.A.D.

Conclusioni Segnale analogico, Segnale campionato Segnale numerico, Segnale digitale Conversione A to D e D to A Classificazione dei Sistemi Elettronici Effetti dei disturbi e rumore, Distorsioni Frequenze tipiche dei segnali elettronici Definizione di “PROGETTO” Livelli di astrazione Sintesi e Analisi Strumenti CAD C.E.A.D.