Upload
hoangdan
View
217
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 1Page 1
21/02/2011 - 1 SisElnA1 - © 2010 DDC
Modulo
SISTEMI ELETTRONICI
A - INTRODUZIONE
Decomposizione funzionale, moduli e segnali» obiettivi e organizzazione del modulo
» livelli di descrizione
» tipi di modulo
» segnali analogici e digitali
» vantaggi e limiti del digitale
Ingegneria dell’Informazione
Questa è la prima lezione per modulo “Sistemi Elettronici”
La lezione comprende due parti; la prima di tipo organizzativo:
- Ruolo di questo modulo nel complesso dei corsi di Elettronica
- Obiettivi formativi (cosa dovreste sapere/saper fare dopo il modulo)
- Contenuto (cosa viene insegnato)
- Come è organizzato (materiale didattico, modalità di esame)
La seconda di contenuto:
- Decomposizione in moduli funzionali
- Sistema di riferimento
- Segnali e alimentazione
- Segnali analogici e digitali
- Ruolo dell’elettronica digitale
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 2Page 2
21/02/2011 - 2 SisElnA1 - © 2010 DDC
Struttura interna dei moduli, modelli, componenti, tecnologie
ELETTRONICHE SPECIALISTICHE
ELETTRONICHE SPECIALISTICHE
SISTEMI ELETTRONICI
ELETTRONICHE SPECIALISTICHE
MATEMATICA, INFORMATICA ELETTROTECNICA, FISICA, ..
DISPOSITIVI E TECNOLOGIE
Concetti base e metodologie, funzioni dei moduli,
segnali e interfacciamento
Corsi di Elettronica di base
La sequenza di corsi di Elettronica è analoga per tutti i corsi della Facoltà ICT (con alcune differenze per Ingegneria Elettronica).
I primi elementi della catena sono corsi di formazione di base (utilizzata anche da altre materie specialistiche): Matematica, Fisica, Informatica, Elettrotecnica.
I contenuti di questi moduli forniscono prerequisiti essenziali per poter seguire efficacemente il corso di Sistemi Elettronici.
Il corso di Sistemi è focalizzato sui moduli funzionali di un sistema elettronico, e ne analizza le caratteristiche esterne (cosa fa, come si collega con altri moduli), con esempi di struttura interna, in termini di elementi funzionali di livello più basso, quali Amplificatori Operazionali e interruttori).
Il corso successivo, Dispositivi e Tecnologie Elettroniche, descrive i componenti elementari utilizzati nei moduli descritti a Sistemi, le loro caratteristiche, e le tecnologie usate per costruirli.
Il terzo modulo di Elettronica è specifico per i vari corsi (Telecomunicazioni, Informatica, Meccatronica, …)
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 3Page 3
21/02/2011 - 3 SisElnA1 - © 2010 DDC
Corso “Sistemi Elettronici”
SISTEMAAPPLICAZIONE
STRUTTURA COMPONENTI TECNOLOGIA
MODULOFUNZIONE
Corso di “Sistemi Elettronici”
Corso di “Dispositivi …”
La coppia di moduli “Sistemi – Dispositivi e Tecnologie” segue una sequenza top-down: dapprima viene visto un sistema nel suo complesso, individuando gli aspetti applicativi principali. Si, passa successivamente ai moduli che lo compongono, sempre con attenzione rivolta prima al “cosa fa” (funzione) e successivamente – solo in alcuni casi – al “come è fatto”. La struttura dei moduli è descritta usando elementi funzionali quali amplificatori operazionali (ideali e reali) ed interruttori, senza scendere ai componenti elettronici elementari (diodi, transistori MOS e bipolari).
Unica eccezione la prima lezione sui moduli digitali, che contiene una descrizione (esclusivamente sperimentale/ euristica) del comportamento di un transistore MOS, necessaria per introdurre Iparametri degli interruttori elettronici usati nei circuiti digitali.
Gli elementi utilizzati all’interno dei moduli ed I relativi circuiti base saranno analizzati in dettaglio nel secondo modulo (Dispositivi e Tecnologie).
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 4Page 4
21/02/2011 - 4 SisElnA1 - © 2010 DDC
Obiettivi di questi corsi
• Modulo Sistemi Elettronici– concetti base e metodologie caratterizzanti l’Elettronica:
» decomposizione di un sistema in unità funzionali, definite tramite parametri ai morsetti (modelli),
» principio e uso della reazione,
» differenza tra segnali e tecniche analogiche e numeriche,
» diverse possibilità realizzative per i sistemi elettronici.
• Successivi moduli di elettronica – Dispositivi e Tecnologie completa l’elettronica di base:
» struttura interna e circuiti dei moduli,
» componenti e tecnologie.
– Elettroniche specialistiche differenziate
La sequenza logica dei vari moduli è quindi:
Sistemi Elettronici
- vista complessiva di un sistema e scomposizione in moduli
- Parametri ai morsetti di un modulo (modelli),
- Caratteristiche di moduli e segnali analogici e digitali (numerici)
- Principio e uso della reazione
- Vantaggi delle tecniche e dei segnali numerici,
Dispositivi e tecnologie elettroniche
- transistori MOS e bipolari
- tecnologie di fabbricazione
- memorie
Elettronica per le telecomunicazioni
- Amplificatori, filtri, ADC e DAC, anelli ad aggancio di fase,
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 5Page 5
21/02/2011 - 5 SisElnA1 - © 2010 DDC
Contenuti di questa lezione (A1)
• Quali obiettivi ha questo corso
• Come è organizzato
• Modalità di esame
• Prerequisiti
• Perché si inizia dai sistemi
• Un esempio di sistema complesso
• Scomposizione funzionale, livelli di descrizione
• Segnali in tempo e in frequenza
• Segnali analogici e segnali digitali
• Vantaggi e problemi dei segnali digitali
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 6Page 6
21/02/2011 - 6 SisElnA1 - © 2010 DDC
Homework:
ripasso prerequisiti, revisione lezioni, esercizi, uso di simulatori,prove di esame (S & O)
~ 80 ore
Struttura del modulo “Sistemi …”
32 ore di lezioni, 12 di esercizi,12 ore di laboratorio (56 h totali)
A introduzione
B moduli analogici
C amplificatori operazionali
D moduli digitali + MOS
E sistemi sequenziali
F sistemi analogici e digitali impegno totale
56+80 = 136 ore
5 crediti
Gli argomenti sono articolati in sei gruppi:
- introduzione
- Moduli analogici
- Amplificatori operazionali
- Dispositivi MOS e Moduli digitali
- Sistemi digitali sequenziali
- Combinazione di parti analogiche e parti digitali.
Oltre alla frequenza alla lezioni è richiesto un homework, co comprende il ripasso di quanto visto in corsi precedenti, la risoluzione degli esercizi proposti, l’esecuzione delle esperienze di laboratorio.
Il lavoro complessivo richiesto per questo modulo è di circa 130 ore, di cui 56 in aula o laboratorio, e la restante parte di lavoro autonomo.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 7Page 7
21/02/2011 - 7 SisElnA1 - © 2010 DDC
Testi di riferimento
• Neil Storey: Electronics: A Systems Approach– Prentice Hall, 2006, ISBN-13:9780131293960
» esercizi, test di autovalutazione a: http://wps.pearsoned.co.uk/ema_uk_he_storey_electronic_3/42/10999/2815814.cw/index.html(riferimenti nelle slide in inglese)
• altri testi adeguati:– R.C. Jaeger, T.N. Blalock: Microelettronica
McGraw Hill (IT) 2004 (riferimenti nelle slide in italiano)
– J. Millman, A. Grabel: Microelectronics (II ed.),
– Millman, Grabel, Terreni: Elettronica di MillmanMcGraw Hill (IT), 2008
– A.Sedra, K.Smith: Circuiti per la microelettronica, Saunders publishing/Ediz. Ingegneria 2000.
Il primo testo è in inglese, ed ha una buona dotazione di materiale (esercizi e test) sul sito web per studenti
Tutti testi indicati sono sovrabbondanti; forniscono una visione ampia e abbastanza completa dell’elettronica in generale.
Costituiscono la base per eventuali futuri approfondimenti, e possono essere usati anche per i corsi successivi.
Dato che la grandissima maggioranza dei documenti relativi all’elettronica è in inglese, conviene acquisire dimestichezza con la terminologia utilizzando libri di testo in inglese.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 8Page 8
21/02/2011 - 8 SisElnA1 - © 2010 DDC
Materiale didattico – siti web
• portale della didattica– Informazioni e materiale “personale” (risultati lab e scritti)
• http://ulisse.polito.it/matdid/1ing_eln_01EKL_TO_0/
– Lucidi IT (non tutti aggiornati)
– Lucidi EN
– Guide di laboratorio
– Esempi di esercizi ed esami
– SW vario per simulatori e altro
• Sito LED: http://led.delen.polito.it/– Data sheet, manuali strumenti, …
Gli avvisi generali e tutto il materiale didattico sono collocati nel sito ULISSE (di libero accesso).
Materiale con informazioni personali (ad esempio le valutazioni di laboratorio o degli scritti) sono collocati nel portale, con accesso controllato.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 9Page 9
21/02/2011 - 9 SisElnA1 - © 2010 DDC
Altro materiale didattico
• Giovanni Giachino: Sistemi Elettronici, CLUT, 2005
• Maurizio Zamboni, Mariagrazia Graziano: Introduzione all'analisi dei Sistemi Elettronici, CLUT, 2006 (raccolta di esercizi).
• F. e R. Zappa: Fondamenti di Elettronica (II ed.), Esculapio, 2002
• Corso teledidattico:– http://corsiadistanza.polito.it/on-line/Sistemi_ele/index2.htm
– da guardare subito: lezione A1 (esercitazione PSPICE):
– lezioni successive utilizzabili per ripasso
Le lezioni del corso teledidattico possono essere utilizzate per rivedere un argomento poco chiaro o di cui non si è seguita la lezione in aula.
Hanno buona corrispondenza complessiva di argomenti, ma seguono una numerazione diversa.
La corrispondenza di argomenti non è totale; non è opportuno sostituire tutte le lezioni di questo modulo con quelle teledidattiche.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 10Page 10
21/02/2011 - 10 SisElnA1 - © 2010 DDC
Esempi, esercizi, test
• Esempi (durante la lezione)– Problemi semplici completamente svolti
• Test (al termine della lezione)– verificare la comprensione dei punti chiave
– Non viene data la risposta
• Esercizi (esercitazioni in aula)– vengono fornite le specifiche e i risultati, con indicazioni
sulla soluzione
– Aggregazione di argomenti di lezioni diverse
• Temi di esame svolti (ultima esercitazione e in rete)
Le verifiche dell’apprendimento possono assumere diverse forme
Nel corso delle lezioni verranno presentati esempi, ovvero semplici problemi dei quali viene illustrata passo passo la procedura di soluzione,
Al termine di ogni lezione compaiono delle domande (senza risposta). Per queste domande verificate se:
1) capite le domande
2) sapete dove trovare la risposta
In caso di risposta negativa conviene rivedere la lezione.
Gli “Esercizi” proposti o disponibili sul sito richiedono l’applicazione di quanto visto a lezione su nuovi circuiti, e la combinazione di elementi descritti in lezioni diverse.
E disponibile (nel sito web) una raccolta di temi di esami svolti. Lo scritto di esame richiede l’uso combinato di procedimenti descritti in lezioni differenti.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 11Page 11
21/02/2011 - 11 SisElnA1 - © 2010 DDC
Scopo di esercizi e test
• I guasti devono essere individuati prima possibile– prima della consegna al cliente finale
– Le lacune vanno corrette PRIMA dell’esame
• Scopo dei test– individuare prontamente eventuali lacune o incomprensioni
• Scopo degli esercizi – applicare la teoria a nuove situazioni
• L’ingegnere fa progetti, non esercizi ed esami– per diventare ingegneri bisogna (anche) superare esami
– per superare esami bisogna (anche) saper risolvere esercizi
Entro ogni lezione vengono proposti esempi (semplici esercizi risolti passo-passo) ed esempi (esercizi senza soluzione). Cercate di risolverli in proprio, senza copiare le soluzioni indicate dal docente.
Al termine di ogni lezione (gruppo di slide) viene proposta una serie di quesiti. E’ un primo test di comprensione; le risposte non richiedono calcoli o elaborazioni complesse.
Verificate se conoscete le risposte o ricordate in quale parte della lezione è stato affrontato l’argomento. Se non capite qualche domanda (o non sapete dove trovare la risposta), è opportuno rivedere l’argomento.
Per verificare la capacità di risolvere esercizi completi sono disponibili tutti i temi di esame degli anni precedenti, con soluzione complete di spiegazioni.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 12Page 12
21/02/2011 - 12 SisElnA1 - © 2010 DDC
Esercitazioni di laboratorio
• L’ingegnere usa modelli matematici per progettare– La correttezza di un modello e la rispondenza di del
progetto alle specifiche va verificata 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– Modulo Introduzione alla sperimentazione
• Le relazioni di laboratorio vengono riviste e valutate– Peso 20% nel voto finale
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 13Page 13
21/02/2011 - 13 SisElnA1 - © 2010 DDC
Collaborazione e lavoro coordinato
• 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 !
– Esperimento AA 2009-10: coadiutori madrelingua
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 14Page 14
21/02/2011 - 14 SisElnA1 - © 2010 DDC
Modalità di esame
• Voto finale = 0,95(scritto&orale) +0,25lab +[quad] –4
• Esame scritto (fine modulo)– esercizi numerici (2) + domande a risposta chiusa (5)
• Valutazione delle relazioni di laboratorio (gruppo)
• Appelli di fine modulo e di Settembre: – Orale “di verifica” (domanda sullo scritto): +/- 2 punti, max 30
– Orale completo opzionale: media con lo scritto
• Altri appelli: Scritto più breve, orale più lungo
• Documento dettagliato sul sito
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 15Page 15
21/02/2011 - 15 SisElnA1 - © 2010 DDC
Supplemento di esame
• Corso cell-free
• Ogni squillo interrogazione con valutazione o “tesina”(obbligatoria per superare l’esame)
– Livelli di radiazione elm stabiliti dalle normative, e confronto con le radiazioni di un cellulare
– Come è fatto e come funziona il vibracall
– …
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 16Page 16
21/02/2011 - 16 SisElnA1 - © 2010 DDC
Prerequisiti
• elettrotecnica– risoluzione di RLC con generatori pilotati, metodo simbolico
• matematica– sistemi di equazioni lineari, equazioni differenziali
• informatica– algebra di Boole
• fisica– conduzione nei solidi
• teoria dei segnali (corso parallelo)– analisi in frequenza (qualitativa)
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 17Page 17
21/02/2011 - 17 SisElnA1 - © 2010 DDC
Verifica dei prerequisiti
• E’ disponibile sul sito un test iniziale, con obiettivi:– per gli allievi:
» selezionare cosa è bene ripassare
– per i docenti (è possibile riconsegnarlo): » verificare in termini statistici i risultati dei corsi precedenti,
– deve essere svolto in 20’
– non influisce sulla valutazione finale
• Per ogni lezione o gruppo di lezioni verranno indicati di volta in volta i prerequisiti richiesti
– la verifica e ripasso dei prerequisiti fanno parte degli homework.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 18Page 18
21/02/2011 - 18 SisElnA1 - © 2010 DDC
Contenuti di questa lezione (A1)
• Quali obiettivi ha questo corso
• Come è organizzato
• Modalità di esame
• Test prerequisiti
• Perché si inizia dai sistemi
• Un esempio di sistema complesso
• Scomposizione funzionale, livelli di descrizione
• Segnali in tempo e in frequenza
• Segnali analogici e segnali digitali
• Vantaggi e problemi dei segnali digitali
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 19Page 19
21/02/2011 - 19 SisElnA1 - © 2010 DDC
Sistemi elettronici e moduli
• Un sistema elettronico è fatto di moduli interconnessi.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 20Page 20
21/02/2011 - 20 SisElnA1 - © 2010 DDC
SISTEMAAPPLICAZIONE
MODULOFUNZIONE
Dai sistemi ai moduli
Corso “Sistemi Elettronici”
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 21Page 21
21/02/2011 - 21 SisElnA1 - © 2010 DDC
?
??
Perché iniziamo dai sistemi ?
• La maggior parte dei progettisti utilizza moduli e componenti costruiti da altri.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 22Page 22
21/02/2011 - 22 SisElnA1 - © 2010 DDC
Perché iniziamo dai sistemi ?
• Per usare un modulo serve conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna.
– Cosa fa il modulo ?» FUNZIONE
– Quanta e quale energia richiede ?» ALIMENTAZIONE
– Come parla con gli altri moduli ?» SEGNALI
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 23Page 23
21/02/2011 - 23 SisElnA1 - © 2010 DDC
Cosa sono i “segnali” ?
• Nei sistemi elettronici l’informazione è associata a grandezze elettriche
– tensioni
– correnti
– frequenza
– …..
• L’ informazione è associata a variazioni di queste grandezze:
– segnali
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 24Page 24
21/02/2011 - 24 SisElnA1 - © 2010 DDC
Progetto ingegneristico
• Servono metodi per analizzare, descrivere, capire oggetti complessi.
– L’ingegnere scompone un problema complesso in una serie di problemi più semplici, collegati, risolvibili, e ne ricompone le soluzioni.
– Deve saper applicare tecniche per decomporre e descriverefunzioni e strutture.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 25Page 25
21/02/2011 - 25 SisElnA1 - © 2010 DDC
Specifica funzionale e struttura
• Specifica funzionale:» Cosa deve fare il sistema ?
» Come interagisce con il contesto (resto del mondo) ?
• Struttura» Come è fatto il sistema ?
» Con quali procedure posso progettarlo, realizzarlo, testarlo, ..?
• Entrambe esprimibili con diagramma oggetti/relazioni
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 26Page 26
21/02/2011 - 26 SisElnA1 - © 2010 DDC
Sistema campione
• Sistema di riferimento per queste lezioni:– telefono cellulare
» parte del sistema servizi/rete/terminali utente,
» sistema complesso (~100.000.000 transistori),
» campionario di diversi aspetti dell’elettronica,
» utilizza tecnologie moderne
• Varie fasi» definizione funzionale
» scomposizione della struttura
» analisi di alcuni moduli
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 27Page 27
21/02/2011 - 27 SisElnA1 - © 2010 DDC
Oggetto dell’analisi
Oggetto reale IT, definibile in termini di:
- funzioni (cosa fa - specifica funzionale, vistadell’oggetto completo e delle sue interazioni)
- struttura (come è fatto, quali elementi usa, come sono collegati, …)
Funzioni simili possono essere realizzate con strutture diverse.
Come possiamo analizzare, descrivere, capireoggetti complessi ?
Come possiamo descrivere funzioni e strutture ?
DECOMPOSIZIONE
Moduli (più) semplici e loro relazioni
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 28Page 28
21/02/2011 - 28 SisElnA1 - © 2010 DDC
Da specifica funzionale a struttura
Trasduttorecomandi(tastiera)
Trasduttoreingr. voce (microfono)
Trasduttoreuscita voce (auricolare)
Trasduttoreinfo visive(display)
Trasduttorecampo elm (antenna)
Alimentazione(caricabatteria)
Moduli funzionaliper esecuzione
e controllo
UTENTE
CAMPO ELETTROMAG
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 29Page 29
21/02/2011 - 29 SisElnA1 - © 2010 DDC
Struttura
MODULIFUNZIONALI
SENSORItastiera,microfono,antenna, …
ATTUATORIauricolare,display,antenna, ...
SISTEMA ELETTRONICO(telefono cellulare)
Dopo aver visto come è fatto, passiamo ad analizzare
cosa fa.
Questo è il processo di DECOMPOSIZIONE FUNZIONALE.
Analizziamo il telefonino in termini di blocchi interconnessi.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 30Page 30
21/02/2011 - 30 SisElnA1 - © 2010 DDC
Struttura dettagliata
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 31Page 31
21/02/2011 - 31 SisElnA1 - © 2010 DDC
MICROP.DSP,MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITOREDEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI ANTENNA
OSCILLATORI RX E TX
CONTROLLO POTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
ALIMENTAZIONE
Schema a blocchi comprensibile
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 32Page 32
21/02/2011 - 32 SisElnA1 - © 2010 DDC
DEVIATORE DI ANTENNA
HARMONICFILTER
GSM
DCS
PCS
ANTENNASWITCH
Tx EN
GSM ENDCS EN
PCS EN
RC
Filter
ANTENNA
TX (PA)
RX
Blocco 1: deviatore di antenna
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 33Page 33
21/02/2011 - 33 SisElnA1 - © 2010 DDC
DescrizioneFUNZIONALE
Gruppo di modulicorrelati a unaspecifica funzione:
commutarel’antenna tratrasmettitori e ricevitori.
HARMONICFILTER
GSM
DCS
PCS
ANTENNASWITCH
Tx EN
GSM ENDCS EN
PCS EN
RC
Filter
ANTENNA
TX (PA)
RX
Deviatore di antenna: funzione
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 34Page 34
21/02/2011 - 34 SisElnA1 - © 2010 DDC
Schema elettrico del deviatore.
Elementi visibili a questolivello:
- componenti elementari(R, C, FET)
- topologia delleinterconnessioni
ANTENNASWITCH
V3
Rx3 Rx2
V2
Tx Rx1
V1
Ant
Deviatore di antenna: schema
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 35Page 35
21/02/2011 - 35 SisElnA1 - © 2010 DDC
Aspetto fisico del deviatore; elementi visibili:
- contenitore- piedini di collegamento
Funzione e struttura interna sono “nascoste”.
ANTENNASWITCH
V3
Rx3 Rx2
V2
Tx Rx1
V1
Ant
Deviatore di antenna: struttura
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 36Page 36
21/02/2011 - 36 SisElnA1 - © 2010 DDC
MICROPDSP,MEM,
...
A/D
D/A
ALT
RI
MO
DU
LI
Ancora schema a blocchi (*)
• Vari tipi di moduli
– Amplificatori, filtri
– Oscillatori
– Convertitori A/D e D/A
– Sommatori, Moltiplicatori
– Memoria, DSP
– Interfaccia display, SIM
– Trasduttori» tastiera, display, antenna,
microfono, auricolare, ...
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 37Page 37
21/02/2011 - 37 SisElnA1 - © 2010 DDC
Perché iniziamo dai sistemi ?
• Per usare un modulo occorre conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna
– cosa fa il modulo ?» FUNZIONE
– quanta e quale energia richiede ?» ALIMENTAZIONE
– come parla con gli altri moduli ?» SEGNALI
Per usare un modulo serve conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna.
Descrizione funzionale
Specifiche di interfaccia
Caratteristiche dei segnali
Alimentazione, consumo
tra i segnalipuò essere inteso anche il clock (alimentazione temporale)
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 38Page 38
21/02/2011 - 38 SisElnA1 - © 2010 DDC
• Segnali (trasportano informazione)
• Alimentazioni (trasportano energia)
• L’energia richiesta per il funzionamento viene distribuita come tensione continua (Val).
Val
GND
INFOIN
INFOOUT
Da dove arriva l’energia ?
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 39Page 39
21/02/2011 - 39 SisElnA1 - © 2010 DDC
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
– batteria
– circuiti per distribuzione e gestione della potenza
• E’ un sottosistema complesso !
L’alimentazione può sembrare banale (la pila), ma il sottosistema gi gestione e distribuzione della alimentazione è complesso.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 40Page 40
21/02/2011 - 40 SisElnA1 - © 2010 DDC
Contenuti di questa lezione (A1)
• Quali obiettivi ha questo corso
• Come è organizzato
• Modalità di esame
• Test prerequisiti
• Perché si inizia dai sistemi
• Un esempio di sistema complesso
• Scomposizione funzionale, livelli di descrizione
• Segnali in tempo e in frequenza
• Segnali analogici e segnali digitali
• Vantaggi e problemi dei segnali digitali
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 41Page 41
21/02/2011 - 41 SisElnA1 - © 2010 DDC
Perché iniziamo dai sistemi ?
• Per usare un modulo occorre conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna
– cosa fa il modulo ?» FUNZIONE
– quanta e quale energia richiede ?» ALIMENTAZIONE
– come parla con gli altri moduli ?» SEGNALI
Per usare un modulo serve conoscere il comportamento esterno, non la struttura interna.
Descrizione funzionale
Specifiche di interfaccia
Caratteristiche dei segnali
Alimentazione, consumo
tra i segnalipuò essere inteso anche il clock (alimentazione temporale)
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 42Page 42
21/02/2011 - 42 SisElnA1 - © 2010 DDC
Prerequisiti seconda parte A1
• Descrizione e analisi di segnali– Trasformata di Fourier
– Spettro di un segnale
– Segnali aleatori
– Numerazione e codici binari
• Riferimenti sul testo:– 1.2 Classificazione dei segnali
– 1.3 Notazioni
– 1.4 Risoluzione di circuiti
– 1.5 Spettro in frequenza dei segnali
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 43Page 43
21/02/2011 - 43 SisElnA1 - © 2010 DDC
MICROP.DSP,MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITOREDEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI RX E TX
CONTROLLO POTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Alimentazione: tensionicontinue stabilizzate, per tutti i moduli
Segnali analogicibassa frequenza300 Hz-3 kHz
Segnale a radiofrequenza800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM
Segnali digitali1 bit/N bit
Diversi tipi di segnale
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 44Page 44
21/02/2011 - 44 SisElnA1 - © 2010 DDC
Segnali audio
• Nei circuiti associati a microfono e auricolare sono presenti segnali audio
• Esempio: segnale sinusoidale (tono):– v(t) = V sen (t + )
– V = valore di picco (volt, simbolo V)
– = pulsazione (radianti/secondo), (frequenza f = in hertz, simbolo Hz)
– = fase (radianti, simbolo rad)
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 45Page 45
21/02/2011 - 45 SisElnA1 - © 2010 DDC
Segnali analogici
• tono audio
• triangolare
• vocecomponenti tra 300 Hz e 3 kHz.
tempo frequenza
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 46Page 46
21/02/2011 - 46 SisElnA1 - © 2010 DDC
MICROP.DSP,MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITOREDEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI RX E TX
CONTROLLO POTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Segnale a radiofrequenza800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM
Segnali a radiofrequenza (RF) (*)
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 47Page 47
21/02/2011 - 47 SisElnA1 - © 2010 DDC
Segnali a radiofrequenza (*)
• Nei circuiti in prossimità dell’antenna sono presenti segnali sinusoidali a frequenza elevata(800 MHz - 1,8 GHz circa).
– Richiedono amplificatori e interconnessioni particolari.
• Esempio:– segnale non modulato a 800 MHz
ampiezza
tempo
1 ns (2 ms per segnale audio)
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 48Page 48
21/02/2011 - 48 SisElnA1 - © 2010 DDC
Rappresentazione in tempo
Un segnale può essere visualizzato in funzione del tempo:
asse X: tempo
asse Y:ampiezza
Strumento: oscilloscopio
t = 0
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 49Page 49
21/02/2011 - 49 SisElnA1 - © 2010 DDC
Rappresentazione in frequenza
Un segnale può essere visualizzato anche indicando le sue componenti in funzione della frequenza:
asse X: frequenza
asse Y:ampiezza
Strumento: analizzatore di spettro
f = 0
fondamentale
II armonica
III armonica
Rumore di base
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 50Page 50
21/02/2011 - 50 SisElnA1 - © 2010 DDC
Legame tempo - frequenza
• Variazioni rapide del segnale corrispondono a componenti a frequenza elevata
tempo frequenzaF = 0
banda
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 51Page 51
21/02/2011 - 51 SisElnA1 - © 2010 DDC
Spettri di segnali (*)
• Segnale periodico/non periodico» spettro a righe (distanza: inverso del periodo) spettro continuo
• Segnale finito (da t = 0 a t = T1)» occupazione in banda illimitata (da f = 0 a f = )
• Segnale a banda limitata (da fA a fB)» non limitato nel tempo (da t = - a t = + )
• Variazioni ripide» componenti a frequenze elevate
• Segnali reali» ~limitati in tempo e in banda (poca energia fuori T1-T2 e F1-F2)
• Simulatore dello spettro di varie onde sul sito Ulisse: materiale simulatori e SW spettro di segnali ...
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 52Page 52
21/02/2011 - 52 SisElnA1 - © 2010 DDC
Contenuti di questa lezione (A1)
• Quali obiettivi ha questo corso
• Come è organizzato
• Modalità di esame
• Test prerequisiti
• Perché si inizia dai sistemi
• Un esempio di sistema complesso
• Scomposizione funzionale, livelli di descrizione
• Segnali in tempo e in frequenza
• Segnali analogici e segnali digitali
• Vantaggi e problemi dei segnali digitali
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 53Page 53
21/02/2011 - 53 SisElnA1 - © 2010 DDC
Segnali analogici
• Il segnale analogico è continuo– in tempo: è definito per qualsiasi istante di tempo entro un
certo intervallo
– in 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
t
AS
0
0
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 54Page 54
21/02/2011 - 54 SisElnA1 - © 2010 DDC
MICROP.DSP,MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITOREDEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI RX E TX
CONTROLLO POTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Segnali analogici
(RF, IF, AF)
Segnali analogici: dove ?
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 55Page 55
21/02/2011 - 55 SisElnA1 - © 2010 DDC
Segnali digitali reali
• 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
8 bit, 28 = 256 valori
t1t2t3t4t5
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 56Page 56
21/02/2011 - 56 SisElnA1 - © 2010 DDC
MICROP.DSP,MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITOREDEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI RX E TX
CONTROLLO POTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Segnali digitali1 bit/N bit
Segnali digitali: dove ?
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 57Page 57
21/02/2011 - 57 SisElnA1 - © 2010 DDC
Errori con rappresentazione digitale
• Campionamento: valori definiti solo a tempi discreti– intervallo tra campioni Ts, cadenza dei campioni Fs = 1/Ts
– sono rappresentabili segnali con banda Fa limitata a Fs/2 (criterio di Nyquist)
» esempio: Fs = 20 kHz, Fa = 10 kHz
• Quantizzazione: numero finito di valori rappresentabili– N bit : 2N valori, quindi
– Errore di quantizzazione Q = 100/2N % = 1M/2N PPM» esempio: 28 = 256 Q = 0,4 %
• Simulatore degli effetti della quantizzazione sul sito Ulisse: materiale simulatori e SW quantizzazione
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 58Page 58
21/02/2011 - 58 SisElnA1 - © 2010 DDC
Ts
valore
H
L
tempo
Segnali binari nel tempo
• L’evoluzione nel tempo di un segnale binarioè rappresentata da una sequenza di bit:
– due livelli 1/0, o H/L (1 bit) (discreto in ampiezza)
– definito a intervalli Ts (discreto nel tempo)
1 0 1 1 0
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 59Page 59
21/02/2011 - 59 SisElnA1 - © 2010 DDC
Ts
valore
H
L
tempo
Diagrammi temporali
• La rappresentazione discreta (punti) diventa un diagramma temporale, analogo a quello utilizzato per i segnali analogici
1 0 1 1 0
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 60Page 60
21/02/2011 - 60 SisElnA1 - © 2010 DDC
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
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 61Page 61
21/02/2011 - 61 SisElnA1 - © 2010 DDC
Rumore e disturbi
A ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore
il rumoreNON trasportainformazione utile
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 62Page 62
21/02/2011 - 62 SisElnA1 - © 2010 DDC
Degradazione del segnale analogico
• Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore.
• Per il segnale analogico il rumore determina un degrado non recuperabile dell’informazione.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 63Page 63
21/02/2011 - 63 SisElnA1 - © 2010 DDC
Degradazione del segnale digitale
• Per il segnale digitale il degrado del segnale digitale dovuto al rumore è recuperabile (se contenuto entro certi limiti).
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 64Page 64
21/02/2011 - 64 SisElnA1 - © 2010 DDC
Ripristino del segnale digitale
Grazie alla discretizzazione in ampiezza del segnale digitale, èpossibile ricostruireil valore originarioconfrontando ilsegnale con unasoglia.
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 65Page 65
21/02/2011 - 65 SisElnA1 - © 2010 DDC
Recupero del segnale digitale
• Il segnale digitale può essere ripristinato a intervalli regolari, quindi
– gli effetti del rumore non sono cumulativi
• Questo consente di eseguire sul segnale catene di operazioni complesse
– Impossibili con tecnica analogica per il cumulo del rumore
• Perché non vi sia perdita di informazione– il rumore deve essere limitato
– il segnale deve essere periodicamente ricostruito.
• Simulatori degli effetti del rumore sul sito Ulisse: materiale simulatori e SW segnale analogico/digitale con rumore
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 66Page 66
21/02/2011 - 66 SisElnA1 - © 2010 DDC
Verso il mondo esterno
• I segnali fisici (trasduttori e attuatori) sono prevalentemente analogici
• L’interfaccia tra elettronica e mondo esterno deve essere di tipo analogico
SISTEMAELETTRONICO
SEGNALI ANALOGICI
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 67Page 67
21/02/2011 - 67 SisElnA1 - © 2010 DDC
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
SISTEMANUMERICO
A/D D/A
SEGNALI ANALOGICI
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 68Page 68
21/02/2011 - 68 SisElnA1 - © 2010 DDC
Analogico - digitale - analogico
• La maggior parte dei sistemi elettronici 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
A/D
Sistemanumerico D/A
Attuatori e back-endanalogico
Sensori efront-endanalogico
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 69Page 69
21/02/2011 - 69 SisElnA1 - © 2010 DDC
Dove vanno i sistemi elettronici ?
• I sistemi elettronici tendono a migrare verso il digitale,
A/D
Sistemanumerico
D/A Attua
Sens
A/D
Sistemanumerico D/A
Attuatori e back-endanalogico
Sensori efront-endanalogico
tempo
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 70Page 70
21/02/2011 - 70 SisElnA1 - © 2010 DDC
Perchè migrazione verso il digitale?
• Solo con le tecniche digitali sono possibili elaborazioni complesse
– Non cumula il rumore, errori deterministici
– Si possono realizzare circuiti integrati digitali di complessità più alta rispetto a quelli analogici
• Sono disponibili strumenti automatici per il 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
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 71Page 71
21/02/2011 - 71 SisElnA1 - © 2010 DDC
Limiti del digitale
• Presenza 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 segnali analogici (V, I, …)
– segnali digitali ad alta velocità vanno trattati come analogici
• Alcuni tipi di segnale possono essere solo analogici(RF, …)
– Il limite si sposta continuamente(da ~500 MHz quasi tutto analogico)
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 72Page 72
21/02/2011 - 72 SisElnA1 - © 2010 DDC
Sommario lezione A1
• Introduzione, organizzazione, prerequisiti
• Strutture a moduli, distinzione tra funzione e struttura– Cosa fa, come lo fa
• Segnali in un sistema elettronico:– Analogici, digitali
– Rappresentazione in tempo e in frequenza
• Rumore, degradazione del segnale– Recupero del segnale digitale dal rumore
• Vantaggi e limiti della tecnologia digitale– errori controllabili, più semplice progettazione/fabbricazione
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 73Page 73
21/02/2011 - 73 SisElnA1 - © 2010 DDC
Lezione A1 – test conclusivo
• Fare un esempio di descrizione funzionale (cosa fa) e strutturale (come è fatto) per un oggetto a piacere.
• La tensione di rete (220V, 50 Hz) può essere considerata un segnale?
• Quale parte dello spettro occupa il segnale vocale?
• Quanti valori posso rappresentare con 8 bit?
• Come vengono rappresentati gli stati logici?
• Quali sono i vantaggi dei segnali digitali?
• Perché la diffusione televisiva è passata da analogica a digitale?
• Tutti i sistemi elettronici hanno parti analogiche?
SisElnA1 21/02/2011
© 2010 DDC 74Page 74
21/02/2011 - 74 SisElnA1 - © 2010 DDC
Prerequisiti gruppo di lezioni B
• Analisi di reti elettriche:– Circuiti equivalenti di doppi bipoli con maglie Thevenin e
Norton (unidirezionali).
– Comportamento T e F di celle RC e RLC
– Diagrammi di Bode, decibel
• Riferimenti– Jaeger: 1.6 Amplificatori, 11.1/2/4 Sistemi analogici
– Storey: 3 Amplification
• Uso del simulatore circuitale PSPICE
• Uso degli strumenti base di laboratorio