01 Sistemi e Segnali Elettronici - V1

7/21/2019 01 Sistemi e Segnali Elettronici - V1

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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 2 / 49

Approccio sistemistico analisi/progetto top-

downUn sistema elettronico complesso può esseresuddiviso in sotto sistemi più semplici

Decomposizione funzionale dei moduli costituentiun sistema elettronico e loro interconnessioni

Struttura interna di alcuni moduli, e dei

componenti elettronici che li realizzano• Principali dispositivi a semiconduttore e loro

funzionamento

• Cenni alle tecnologie della microelettronica

Contenuti




Sistemi elettronici e moduli

Un sistema elettronico è fatto di moduliinterconnessi




?

??

Perché iniziamo dai sistemi ?

La maggior parte dei progettisti utilizza modulie componenti costruiti da altri





Per usare un modulo occorre conoscere ilcomportamento esterno, non la strutturainterna

cosa fa il modulo ?

• FUNZIONE

quanta e quale energia richiede ?

• ALIMENTAZIONE

come parla con gli altri moduli ?

• SEGNALI




Cosa sono i “segnali” ?

Nei sistemi elettronici le variabili di interessesono delle grandezze elettriche

tensioni

correnti

L’informazione è contenuta nelle loro variazioni

segnali

le variazioni possono essere associate a ampiezza,

frequenza…


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Progetto ingegneristico

Servono metodi per analizzare, descrivere,capire oggetti complessi

L’ingegnere decompone un problema complesso inuna serie di problemi più semplici, collegati,

risolvibili, e ne ricompone le soluzioniDeve saper applicare tecniche per decomporre e

descrivere funzioni e strutture



Sistema campione

Sistema di riferimento per queste lezioni:

telefono cellulare

• parte del sistema servizi/rete/terminali utente

• sistema complesso (~108 transistori)

• campionario di diversi aspetti dell’elettronica • utilizza tecnologie moderne

Varie fasi•

definizione funzionale• decomposizione della struttura

• analisi di alcuni moduli



Da specifica funzionale a struttura

Trasduttore

comandi

(tastiera)

Trasduttore

ingr. voce(microfono)

Trasduttore

uscita voce

(auricolare)

Trasduttore

info visive

(display)

Trasduttorecampo elm

(antenna)

Alimentazione

(caricabatteria)

Moduli funzionaliper esecuzione

e controllo

UTENTE

CAMPO

ELETTROMAGNETICO



Struttura dettagliata



MICROP.DSP,

MEM

TRASDUTTORI: AP, MK,

TASTIERA, DISPLAY

RICEVITOREDEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI

ANTENNA

OSCILLATORI

RX E TX

CONTROLLOPOTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

ALIMENTAZIONE

Schema a blocchi comprensibile



DEVIATORE DI

ANTENNA

HARMONIC

FILTER

GSM

DCS

PCS

ANTENNASWITCH

Tx EN

GSM EN

DCS EN

PCS EN

RC

Filter

ANTENNA

TX (PA)

RX

Blocco 1: deviatore di antenna



Descrizione

FUNZIONALE

Gruppo di moduli

correlati a unaspecifica funzione:

commutare

l’antenna tra

trasmettitori ericevitori

HARMONIC

FILTER

GSM

DCS

PCS

ANTENNASWITCH

Tx EN

GSM EN

DCS EN

PCS EN

RC

Filter

ANTENNA

TX (PA)

RX

Deviatore di antenna: funzione




Schema elettrico del

deviatore

Elementi visibili a questo

livello:

- componenti elementari

(R , C , transistori FET)

- topologia delle

interconnessioni

ANTENNA

SWITCH

V3

Rx3 Rx2

V2

Tx Rx1

V1

Ant

Deviatore di antenna: schema




Aspetto fisico del deviatore; elementi visibili:

- contenitore- piedini di collegamento

Funzione e struttura interna sono “nascoste”

ANTENNA

SWITCH

V3

Rx3 Rx2

V2

Tx Rx1

V1

Ant

Deviatore di antenna: struttura





Per usare un modulo occorre conoscere ilcomportamento esterno, non la strutturainterna

cosa fa il modulo ?

• FUNZIONE

quanta e quale energia richiede ?

• ALIMENTAZIONE

come parla con gli altri moduli ?

• SEGNALI




I segnali trasportano informazione

Le alimentazioni forniscono energia

L’energia richiesta per il funzionamento vienedistribuita come tensione continua (V al)

V al

GND

INFO

ININFO

OUT

Da dove arriva l’energia ?




Sottosistema di alimentazione

Obiettivi

ridurre la produzione di calore

massima durata e rapida ricarica delle batterie

minimo inquinamento (batterie)

massimo rendimento

Moduli

alimentatore da rete, regolatori, caricabatterie

batteriacircuiti per distribuzione e gestione della potenza

È un sottosistema complesso !





• Per usare un modulo occorre conoscere ilcomportamento esterno, non la strutturainterna

– cosa fa il modulo ?

• FUNZIONE

– quanta e quale energia richiede ?

• ALIMENTAZIONE

– come parla con gli altri moduli ?

• SEGNALI




MICROP.

DSP,

MEM


TASTIERA, DISPLAY

RICEVITORE

DEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI

ANTENNA

ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI

RX E TX

CONTROLLOPOTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Diversi tipi di segnale





MICROP.

DSP,

MEM


TASTIERA, DISPLAY

RICEVITORE

DEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI

ANTENNA

ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI

RX E TX

CONTROLLOPOTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnale a radiofrequenza 800

MHz, 1,8 GHz modulazione FMo PM





MICROP.

DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY

RICEVITORE

DEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI

ANTENNA

ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI

RX E TX

CONTROLLOPOTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnali audio a bassa

frequenza 300 Hz-3

kHz







MICROP.

DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY

RICEVITORE

DEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI

ANTENNA

ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI

RX E TX

CONTROLLOPOTENZA

MODULATORE

A/D

D/A


frequenza 300 Hz-3

kHz



Segnali digitali

1 bit/N bit





MICROP.

DSP,MEM


TASTIERA, DISPLAY

RICEVITORE

DEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI

ANTENNA

ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI

RX E TX

CONTROLLOPOTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Alimentazione: tensioni

continue stabilizzate,per tutti i moduli


frequenza 300 Hz-3

kHz



Segnali digitali

1 bit/N bit

l d




Segnali audio

Nei circuiti associati a microfono e auricolaresono presenti segnali audio Esempio: segnale sinusoidale (tono):

v (t ) = V sin (wt + f)

V = valore di picco (volt, simbolo V)

w = pulsazione (radianti/secondo),(frequenza f = w/2p, in hertz, simbolo Hz)

f = fase (radianti, simbolo rad)

l l




Segnali analogici

Tono audio (sinusoide)

Singola frequenza

Onda triangolare

PeriodicaPiù componenti in f

Voce

Varie componentitra 300 Hz e 3 kHz

Banda limitata tempo frequenza

li di f ( )




MICROP.DSP,

MEM


TASTIERA, DISPLAY

RICEVITOREDEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI

ANTENNA

ALIMENTAZIONE

OSCILLATORIRX E TX

CONTROLLOPOTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnale a radiofrequenza 800MHz, 1,8 GHz modulazione FM

o PM

Segnali a radiofrequenza (RF)

S li di f




Segnali a radiofrequenzaNei circuiti in prossimità dell’antenna sono

presenti segnali a frequenza elevata (800 MHz - 1,8 GHz circa)

Richiedono amplificatori e interconnessioni particolari

Esempio: caso sinusoidalesegnale non modulato a 800 MHz

ampiezza

tempo

1 ns (2 ms per segnale audio)

R i l




Rappresentazione nel tempo

Un segnale può essere visualizzato in funzione del tempo:

asse X: tempo

asse Y:

ampiezza

Strumento:

oscilloscopio

t = 0

R i i f




Rappresentazione in frequenza

Un segnale può essere visualizzato anche indicando lesue componenti in funzione della frequenza:

asse X: frequenza

asse Y:

ampiezza

Strumento:

analizzatore di spettro

f = 0

fondamentale

II armonicaIII armonica

Rumore di base

L t f




Legame tempo - frequenza

Variazioni rapide del segnale corrispondono acomponenti a frequenza elevata

tempo frequenzaf = 0

banda

S li l i i




Segnali analogici

Il segnale analogico è continuo

nel tempo: è definito per qualsiasi istante di tempoentro un certo intervallo

in ampiezza: può assumere qualsiasi valore entro

un certo intervalloParametri:

intervallo di ampiezza

• valore max e min (dinamica),

• eventuale DC

contenuto spettrale

• banda, forma dello spettrot

AS

0

0

S li l i i d ?




MICROP.

DSP,

MEM


TASTIERA, DISPLAY

RICEVITORE

DEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI

ANTENNA

ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI

RX E TX

CONTROLLOPOTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnali analogici

(RF, IF, AF)

Segnali analogici: dove ?

S li di it li li




Segnali digitali reali

Il segnale digitale è una sequenza di numeri,

generalmente in base 2discreto nel tempo:

definito solo per alcuniistanti di tempo entroun certo intervallo

discreto in ampiezza:può assumere solo

alcuni valori entro uncerto intervallo

t1

t2

t3

t4

t5

S li di it li d ?




MICROP.

DSP,

MEM


TASTIERA, DISPLAY

RICEVITORE

DEMODULATORE

CATENA RX

CATENA TX

DEVIATORE DI

ANTENNA

ALIMENTAZIONE

OSCILLATORI

RX E TX

CONTROLLOPOTENZA

MODULATORE

A/D

D/A

Segnali digitali

1 bit/N bit

Segnali digitali: dove ?

E i t i di it l




Campionamento: valori definiti solo a tempi discreti

intervallo tra campioni T s, cadenza dei campioni f s = 1/ T s

sono rappresentabili segnali con banda f a limitata a f s/2(criterio di Nyquist)

• esempio: f s = 20 kHz, f a = 10 kHz

Quantizzazione: numero finito di valorirappresentabili

N bit : 2N

valori, quindiErrore di quantizzazione eQ = 100/2N % = 106/2N PPM

• esempio: 28 = 256 eQ = 0,4 %

Errori con rappresentazione digitale

S li bi i l t




L’evoluzione nel tempo di un segnale binario

è rappresentata da una sequenza di bit:due livelli 1/0, o H/L (1 bit) (discreto in ampiezza)

definito a intervalli T s (discreto nel tempo)

Segnali binari nel tempo

T s

valore

H

L

tempo

1 0 1 1 0

Diagrammi temporali




La rappresentazione discreta (punti) diventa un

diagramma temporale, analogo a quelloutilizzato per i segnali analogici

Diagrammi temporali

T s

valore

H

L

tempo

1 0 1 1 0

Rappresentazione degli stati logici




Rappresentazione degli stati logici

Gli stati logici (H/L, 0/1, …) sono rappresentati

con tensioni (V), con una regola ben definita:• stato alto, H, 1, ... 3 V

• stato basso, L, 0, ... 0,5 V

3 V

H L

t

H H L

0,5 V

1 0 1 1 0

Rumore e disturbi




Rumore e disturbi

A ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore

il rumore

NON trasporta

informazione utile

Degradazione del segnale analogico




Degradazione del segnale analogico

Ogni passo di amplificazione o elaborazione

aggiunge rumore

Per il segnale analogico il rumore determina undegrado non recuperabile dell’informazione

Degradazione del segnale digitale




Degradazione del segnale digitale

Per il segnale digitale il degrado del segnale

digitale dovuto al rumore è recuperabile (secontenuto entro certi limiti)

Ripristino del segnale digitale




Ripristino del segnale digitale

Grazie alla

discretizzazione in

ampiezza del

segnale digitale, è

possibile ricostruire

il valore originario confrontando il

segnale con una

soglia.

Verso il mondo esterno




I segnali fisici (trasduttori e attuatori) sono

prevalentemente analogici

L’interfaccia tra elettronica e mondo esternodeve essere di tipo analogico

Verso il mondo esterno

SISTEMA

ELETTRONICO

SEGNALI ANALOGICI

Sequenza A/D/A




Sequenza A/D/A

L’elettronica è prevalentemente digitale

occorre convertire i segnali da analogici a numerici,e viceversa:

• conversione ANALOGICO/DIGITALE (A/D)

• conversione DIGITALE/ANALOGICO (D/A)

SISTEMA ELETTRONICO

SISTEMA

NUMERICO

A/D D/A

SEGNALI ANALOGICI

Analogico digitale analogico




Analogico - digitale - analogicoLa maggior parte dei sistemi elettronicicomprende:

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

A/D

Sistema

numerico D/A Attuatori e

back-end

analogico

Sensori e

front-endanalogico

Dove vanno i sistemi elettronici ?




Dove vanno i sistemi elettronici ?

I sistemi elettronici tendono a migrare verso il

digitale

A/D

Sistema

numerico

D/A Attua

Sens

A/D

Sistemanumerico D/A

Attuatori eback-end

analogico

Sensori e

front-end

analogico

tempo

Perché la migrazione verso il digitale?




Perché la migrazione verso il digitale?Solo con le tecniche digitali sono possibili

elaborazioni complesseNon cumula il rumore, errori deterministici

Si possono realizzare circuiti integrati digitali dicomplessità più alta rispetto a quelli analogici

Sono disponibili strumenti automatici peril progetto e la realizzazione di moduli digitali

I circuiti integrati digitali hanno costi più bassi

Il comportamento dei circuiti digitali èfacilmente modificabile

SW o altra programmazione

Limiti del digitale



Limiti del digitalePresenza 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 segnalianalogici (V, I, …)

segnali digitali ad alta velocità vanno trattati come

analogici

Alcuni tipi di segnale possono essere soloanalogici (RF…)

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