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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
+−6 V500 Ω500 Ω + ΔR500 Ω500 Ωab+−14,93 mV

Un ponte con quattro rami da 500 Ω è alimentato con 6 V. Quando il sensore R₂ cambia, l’uscita indica Vab = 14,93 mV. Trova la variazione esatta ΔR di R₂.

Vs = 6 VR = 500 ΩVab = 14,93 mV
ΔR = Ω
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−3 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−0,6 mV

Un quarto di ponte con un estensimetro attivo (GF = 2) è eccitato con 3 V. Sotto carico l’uscita indica 0,6 mV. Trova la deformazione ε in µε.

Vs = 3 VGF = 2Vo = 0,6 mV
ε = µε
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
tTs​ = 1/fs​f = 42,5 kHzfs​ = 50 kHz

Una sinusoide a 42,5 kHz è campionata a 50 kHz senza filtro anti-aliasing. A quale frequenza fa compare nei campioni? Esprimila in kHz.

f = 42,5 kHzfs = 50 kHz
fa = kHz
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​1 MHz / (16·D)

Un microcontrollore con clock a 1 MHz imposta il baud rate della UART come fclk/(16·D), con D un numero intero arrotondato al valore più vicino. Il valore desiderato è 9600 baud. Trova l’errore percentuale del baud rate reale (positivo se è troppo veloce).

fclk = 1 MHzvalore desiderato = 9600 Bd
e = %
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

Scegli il resistore di retroazione Rf che dà a questo amplificatore non invertente un guadagno di tensione di 3.

R1 = 1 kΩAv = 3
Rf = kΩ
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = 0,8 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,1 VR3​ = 10 kΩR4​ = 100 kΩ

L’amplificatore operazionale è ideale ed è alimentato a ±15 V. I rapporti tra i resistori non sono bilanciati. Trova la tensione d’uscita Vout.

V1 = 0,8 VV2 = 0,1 VR1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩR3 = 10 kΩR4 = 100 kΩ
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩIR2​AR4​2 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​12 ΩBR6​2 Ω

Trova la corrente IR1 erogata dal generatore, che scorre in R1.

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 ΩR5 = 8 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAIs​0,5 ABRL​20 ΩIL​

Un carico RL = 20 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 10 VIs = 0,5 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩRL = 20 Ω
PL = W

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: ΔR = 5,002 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.

Tensione del nodo

Va = 3 + 0,01493 = 3,015 V

Risolvi il partitore

R₂ = 500·3,015/(6 − 3,015) = 505 Ω
ΔR = 505 − 500 = 5,002 Ω

Risposta

ΔR = 5,002 Ω
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: ε = 400 µε

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.

Risolvi l’equazione del quarto di ponte

ε = 4·0,0006/(3·2) = 0,0004

In microdeformazioni

ε = 400 µε

Risposta

ε = 400 µε
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fa = 7,5 kHz

Campionamento: un ADC misura il segnale fs volte al secondo. Secondo il teorema di Nyquist–Shannon una frequenza f è acquisita correttamente solo finché f < fs/2, la frequenza di Nyquist (di ripiegamento), quindi la frequenza di campionamento deve superare il doppio della frequenza più alta del segnale. Una frequenza più alta non va persa: compare come alias a fa = |f − k·fs|, con il numero intero k che porta il risultato tra 0 e fs/2. I campioni non permettono di distinguere le due, quindi un filtro anti-aliasing analogico deve eliminare tutto ciò che sta sopra fs/2 prima dell’ADC.

Frequenza di Nyquist

fs/2 = 25 kHz < f = 42,5 kHz

Multiplo più vicino della frequenza di campionamento

k = round(42,5/50) = 1

Frequenza di alias

fa = |42,5 − 1·50| = 7,5 kHz

Risposta

fa = 7,5 kHz

La curva tratteggiata nella figura è l’alias: passa esattamente per gli stessi campioni.

4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: e = −6,994 %

UART: un collegamento seriale asincrono invia ogni byte come un frame: un bit di start (basso), i bit di dati, un bit di parità facoltativo e uno o due bit di stop (alti). Il baud rate è il numero di bit al secondo, quindi un bit dura Tb = 1/baud e un frame di n bit dura n/baud. Il comune formato 8N1 ha 10 bit per byte. Il generatore di baud divide il clock: baud = fclk/(16·D) con un numero intero D, quindi il baud rate reale differisce leggermente da quello desiderato; un errore sotto circa il 2 % di solito è accettabile.

Divisore

D = 1·10⁶/(16·9600) = 6,51 → 7

Baud rate reale

1·10⁶/(16·7) = 8929 Bd

Errore

(8929 − 9600)/9600·100 = −6,994 %

Risposta

e = −6,994 %

Un errore sopra circa il 2 % rende il collegamento inaffidabile: scegli un altro clock o un altro baud rate.

5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Rf = 2 kΩ

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 un amplificatore non invertente

V₋ = V₊ = Vin, e la corrente in R₁ scorre anche in Rf, quindi Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (3 − 1)·1 = 2 kΩ

Risposta

Rf = 2 kΩ
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = −0,6182 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.

Tensione all’ingresso +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,1·100/(10 + 100) = 0,09091 V

Sovrapponi i due ingressi

Con V₂ = 0, V₁ vede un amplificatore invertente. Con V₁ = 0, V₊ viene amplificata dal guadagno non invertente 1 + R₂/R₁.

Vout = −(4,7/4,7)·0,8 + (1 + 4,7/4,7)·0,09091 = −0,8 + 0,1818 = −0,6182 V

Risposta

Vout = −0,6182 V
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,6667 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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​6 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 6 + 3 = 9 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 = 12/9 = 1,333 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 − 1,333·6 = 4 V
IR2 = VA/R2 = 4/6 = 0,6667 A

Risposta

IR2 = 0,6667 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,812 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​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​12 ΩBR6​2 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 5,455 Ω
R3 + 5,455 = 13,45 Ω
R2 ∥ 13,45 = 3,083 Ω
Req = R1 + 3,083 = 8 + 3,083 = 11,08 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 = 9/11,08 = 0,812 A

Risposta

IR1 = 0,812 A
9.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 3,913 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 4 = 9,217 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​15 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) = 6·15/(8+15) = 3,913 V
10.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 0,1163 W

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​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩCORTOR2​2 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 8 = 9,5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAIs​0,5 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) = 2,5 + (−0,5)·1,5 = 1,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 1,75 + (−0,5)·8 = −2,25 V
Rth​ = 9,5 Ω−+Vth​2,25 VRL​20 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) = −2,25/(9,5 + 20) = −0,07627 A
PL = IL²·RL = −0,07627²·20 = 0,1163 W

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