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Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 10 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Tensioni dei partitori
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Uscite
Vab = Va − Vb
Bilancio
R1/R2 = R3/R4
Ponte a filo
R/Rx = l/(100 − l)
Resistenza di Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Fattore di taratura
ΔR/R = GF·ε
Uscita del ponte
quarto Vs·GF·ε/4, mezzo Vs·GF·ε/2, intero Vs·GF·ε
Piccola variazione, un ramo
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tensione
σ = E·ε

Metodo

  1. Tratta il ponte come due partitori di tensione ai capi della stessa alimentazione.
  2. Per l’equilibrio, poni R₁/R₂ = R₃/R₄ e ricava la resistenza incognita.
  3. Per un ponte non equilibrato, ricava Va e Vb dai partitori e sottrai; usa l’equivalente di Thévenin quando uno strumento carica l’uscita.
  4. Per gli estensimetri, converti la deformazione in ΔR/R = GF·ε e usa Vs·GF·ε/4, /2 o ×1 per un quarto, mezzo o ponte intero.

Acquisizione dati e campionamento

Criterio di Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frequenza di alias
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Passo di quantizzazione
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Errore di quantizzazione (arrotondamento)
±½ LSB
Codice di un ADC a troncamento
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bit per una risoluzione r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR ideale, sinusoide a fondo scala
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Velocità dei dati
canali × fs × N bit/s
ADC multiplexato
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bit per byte; byte/s = baud/bit per frame
Divisore del baud rate
baud = fclk/(16·D)

Metodo

  1. Scrivi i dati: frequenza di campionamento, frequenze del segnale, numero di bit, campo d’ingresso, baud rate.
  2. Nei problemi di campionamento confronta ogni frequenza con fs/2; una frequenza più alta compare a fa = |f − k·fs|, con il multiplo di fs più vicino.
  3. Nei problemi di risoluzione trova 1 LSB = VFSR/2ᴺ, oppure il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/risoluzione.
  4. Per velocità dei dati e collegamenti UART conta tutto ciò che viene inviato: canali, campioni al secondo, bit o byte interi per campione, e i bit di start, parità e stop di ogni frame.

Circuiti con amplificatori operazionali

Amplificatore invertente
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificatore non invertente
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificatore sommatore
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Amplificatore operazionale ideale
V+ = V−, Iin = 0

Resistori in serie e parallelo

Resistenze in serie
Req = R1 + R2 + …
Resistenze in parallelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Due in parallelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Legge di Ohm
V = I·R
Potenza
P = V·I = I²R = V²/R

Metodo

  1. Parti dall’estremità della rete più lontana dai morsetti.
  2. Combina i resistori in serie sommandoli e quelli in parallelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Ridisegna il circuito dopo ogni passaggio.
  4. Ripeti finché tra i morsetti resta un solo resistore.

Thévenin e Norton

Tensione di Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistenza di Thévenin
Rth: tutti i generatori spenti, vista da a–b
Corrente di Norton
IN = Vth/Rth
Corrente nel carico
IL = Vth/(Rth + RL)
Massimo trasferimento di potenza
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metodo

  1. Togli il carico e indica i due morsetti a e b.
  2. Trova la tensione a vuoto tra a e b: questa è Vth.
  3. Spegni tutti i generatori indipendenti e trova la resistenza vista da a–b: questa è Rth.
  4. Ricollega il carico al circuito equivalente: Vth in serie con Rth.
  5. Per l’equivalente di Norton, converti: IN = Vth/Rth, con RN = Rth in parallelo.

2Esercizi

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
+−3 VR1​ = 200 ΩR2​ = 60 ΩR3​ = 20 ΩR4​ = 40 Ωab+−Rth​ = ?

Trova la resistenza di Thévenin Rth del ponte mostrato, vista dai morsetti di uscita a e b.

Vs = 3 VR1 = 200 ΩR2 = 60 ΩR3 = 20 ΩR4 = 40 Ω
Rth = Ω
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−2,5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−0,769 mV

Un estensimetro (GF = 2,05) su un elemento con E = 200 GPa forma un quarto di ponte eccitato con 2,5 V. L’uscita indica 0,769 mV. Trova la tensione assiale σ in MPa.

Vs = 2,5 VGF = 2,05Vo = 0,769 mVE = 200 GPa
σ = MPa
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = 14VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Trova il rapporto segnale/rumore di quantizzazione ideale SQNR di un ADC a 14 bit per una sinusoide a fondo scala.

N = 14
SQNR = dB
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
T10 mV/°C×10∿01N = 10, 3,3 V? °C/LSB

Un sensore di temperatura fornisce 10 mV/°C (0 V a 0 °C). Il suo segnale è amplificato 10 volte e inviato a un ADC a 10 bit con campo da 0 a 3,3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Trova la variazione di temperatura ΔTLSB corrispondente a un LSB.

S = 10 mV/°CG = 10N = 10VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 22 kΩVin​R1​ = 10 kΩ

L’amplificatore operazionale è ideale ed è alimentato a ±15 V; la sua uscita satura a ±13 V. L’amplificatore invertente è pilotato da un’onda sinusoidale. Trova la massima ampiezza d’ingresso Vin,max (valore di picco) per cui l’uscita non viene tagliata.

R1 = 10 kΩRf = 22 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
Vin​V1​Vout​stadio 1: invertenteR1​ = 2 kΩRf1​ = 4,7 kΩstadio 2: non invertenteR2​ = 100 kΩRf2​ = 22 kΩ

Due stadi con amplificatore operazionale ideale sono collegati in cascata: un amplificatore invertente (R1, Rf1) seguito da un amplificatore non invertente (R2 verso massa, Rf2 nella retroazione). Entrambi sono alimentati a ±15 V. L’ingresso è Vin = 0,65 V. Trova la tensione d’uscita Vout.

R1 = 2 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 22 kΩVin = 0,65 V
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩIR2​AR4​2 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​25 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 ΩR5 = 4 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩARL​4 ΩIL​B

Un carico RL = 4 Ω è collegato tra a–b. Sostituisci il resto del circuito con il suo equivalente di Thévenin e trova la corrente nel carico IL.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAIs​2 ABab

Trova la tensione di Thévenin Vth vista dai morsetti a–b.

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Rth = 59,49 Ω

Ponte di Wheatstone: due partitori di tensione condividono un’unica alimentazione Vs. Il partitore sinistro R1–R2 dà Va = Vs·R2/(R1 + R2) e il partitore destro R3–R4 dà Vb = Vs·R4/(R3 + R4); l’uscita è Vab = Va − Vb. Il ponte è in equilibrio (Vab = 0, nessuna corrente nello strumento) quando R1/R2 = R3/R4, cioè R1·R4 = R2·R3. Visto dall’uscita, il ponte è un generatore di Thévenin con Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Alimentazione in cortocircuito

R₁∥R₂ = 200·60/260 = 46,15 Ω
R₃∥R₄ = 20·40/60 = 13,33 Ω

Resistenza di Thévenin

Rth = 59,49 Ω

Risposta

Rth = 59,49 Ω
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: σ = 120 MPa

Estensimetri: un estensimetro cambia la sua resistenza con la deformazione: ΔR/R = GF·ε, dove il fattore di taratura GF vale circa 2 per un estensimetro a lamina metallica. In un ponte con tutti i rami uguali a R, un estensimetro attivo (quarto di ponte) dà Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Due estensimetri attivi con deformazioni opposte in rami adiacenti (mezzo ponte) danno Vs·GF·ε/2, e quattro (ponte intero) danno Vs·GF·ε. La tensione meccanica segue dalla legge di Hooke, σ = E·ε. Le celle di carico indicano la loro sensibilità in mV/V: l’uscita a pieno carico per ogni volt di eccitazione.

Deformazione

ε = 4·0,000769/(2,5·2,05) = 0,0006002

Tensione

σ = 200·10³ MPa·0,0006002 = 120 MPa

Risposta

σ = 120 MPa
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: SQNR = 86,04 dB

Risoluzione dell’ADC: un convertitore a N bit divide il suo campo di fondo scala VFSR in 2ᴺ codici, da 0 a 2ᴺ − 1. Un passo è 1 LSB = VFSR/2ᴺ: la più piccola variazione che il convertitore può mostrare. Un ADC a troncamento dà il codice ⌊Vin/LSB⌋; un ADC ad arrotondamento non si discosta mai più di ½ LSB dal valore vero, il suo errore di quantizzazione. Ogni bit in più dimezza l’LSB e aggiunge circa 6 dB al rapporto segnale/rumore di quantizzazione ideale SQNR = 6,02·N + 1,76 dB per una sinusoide a fondo scala. Per ottenere una risoluzione r su un campo, scegli il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/r.

SQNR ideale

SQNR = 6,02·14 + 1,76 = 86,04 dB

Risposta

SQNR = 86,04 dB
4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: ΔTLSB = 0,03223 °C

Risoluzione dell’ADC: un convertitore a N bit divide il suo campo di fondo scala VFSR in 2ᴺ codici, da 0 a 2ᴺ − 1. Un passo è 1 LSB = VFSR/2ᴺ: la più piccola variazione che il convertitore può mostrare. Un ADC a troncamento dà il codice ⌊Vin/LSB⌋; un ADC ad arrotondamento non si discosta mai più di ½ LSB dal valore vero, il suo errore di quantizzazione. Ogni bit in più dimezza l’LSB e aggiunge circa 6 dB al rapporto segnale/rumore di quantizzazione ideale SQNR = 6,02·N + 1,76 dB per una sinusoide a fondo scala. Per ottenere una risoluzione r su un campo, scegli il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/r.

Passo di quantizzazione

1 LSB = 3300/1024 = 3,223 mV

Sensibilità all’ADC

10·10 = 100 mV/°C

Risoluzione in temperatura

ΔTLSB = 3,223/100 = 0,03223 °C

Risposta

ΔTLSB = 0,03223 °C

L’ADC arriva a fondo scala a 33 °C.

5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vin,max = 5,909 V

Regole dell’amplificatore operazionale ideale: con retroazione negativa, l’amplificatore porta la sua uscita al valore per cui i due ingressi sono alla stessa tensione (V₋ = V₊), e nessuna corrente entra negli ingressi. Scrivendo la LKC all’ingresso invertente con questi due fatti si ottiene l’uscita.

Guadagno

|Av| = Rf/R1 = 22/10 = 2,2

Massimo ingresso prima del taglio

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/2,2 = 5,909 V

Risposta

Vin,max = 5,909 V
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = −1,864 V

Regole dell’amplificatore operazionale ideale: con retroazione negativa, l’amplificatore porta la sua uscita al valore per cui i due ingressi sono alla stessa tensione (V₋ = V₊), e nessuna corrente entra negli ingressi. Scrivendo la LKC all’ingresso invertente con questi due fatti si ottiene l’uscita.

Guadagno di ciascuno stadio

A1 = −Rf1/R1 = −4,7/2 = −2,35
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/100 = 1,22

Stadio per stadio

V1 = −2,35·0,65 = −1,528 V
Vout = 1,22·(−1,528) = −1,864 V

Risposta

Vout = −1,864 V
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,2308 A

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​2 ΩB

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R3 + R4 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Req = R1 + 2,857 = 12 + 2,857 = 14,86 Ω

Corrente dal generatore

Il generatore vede solo Req, quindi la legge di Ohm dà la corrente che eroga. Quella corrente scorre in R₁.

IR1 = V1/Req = 12/14,86 = 0,8077 A

Corrente in R₂

Sottrai la caduta su R₁ per ottenere la tensione al nodo A, che è la tensione ai capi di R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,8077·12 = 2,308 V
IR2 = VA/R2 = 2,308/10 = 0,2308 A

Risposta

IR2 = 0,2308 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 13,67 Ω

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​25 Ω

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R5 + R6 = 4 + 25 = 29 Ω
R4 ∥ 29 = 6,27 Ω
R3 + 6,27 = 10,27 Ω
R2 ∥ 10,27 = 1,674 Ω
Req = R1 + 1,674 = 12 + 1,674 = 13,67 Ω

Risposta

Req = 13,67 Ω
9.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,2885 A

Teorema di Thévenin: ogni rete lineare a due morsetti si comporta come un unico generatore di tensione Vth in serie con una resistenza Rth. Il teorema di Norton dà la stessa rete come generatore di corrente IN = Vth/Rth in parallelo con Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​3 ΩAabRth​

Trova Rth con tutti i generatori spenti

Sostituisci i generatori di tensione con cortocircuiti e quelli di corrente con circuiti aperti, poi guarda il circuito da a–b.

R1 ∥ R2 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 4 = 6,4 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAab+−Vth​

Trova Vth, la tensione a vuoto

Con a–b aperti, in R₃ non scorre corrente, quindi non c’è caduta su di essa e V_b = V_A. R₁ e R₂ formano un partitore di tensione.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·3/(12+3) = 3 V
Rth​ = 6,4 Ω+−Vth​3 VRL​4 ΩIL​

Collega il carico all’equivalente di Thévenin

Il generatore di Thévenin e R_th in serie si comportano esattamente come il circuito originale ai morsetti a–b, quindi il carico vede un semplice anello in serie.

IL = Vth/(Rth + RL) = 3/(6,4 + 4) = 0,2885 A
10.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = −11,54 V

Teorema di Thévenin: ogni rete lineare a due morsetti si comporta come un unico generatore di tensione Vth in serie con una resistenza Rth. Il teorema di Norton dà la stessa rete come generatore di corrente IN = Vth/Rth in parallelo con Rth.

R1​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩCORTOR2​10 ΩAAPERTOBabRth​

Trova Rth con tutti i generatori spenti

Sostituisci i generatori di tensione con cortocircuiti e quelli di corrente con circuiti aperti, poi guarda il circuito da a–b.

R1 ∥ R2 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 15 = 17,31 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

Trova Vth, la tensione a vuoto

Con a–b aperti, l’unico percorso per Iₛ è attraverso R₃ nel nodo A. Trova V_A per sovrapposizione di V₁ e Iₛ, poi aggiungi la caduta su R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 23,08 + (−2)·2,308 = 18,46 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,46 + (−2)·15 = −11,54 V

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