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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+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 500 Ω e Vs = 6 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 100 Ω. Trova l’uscita esatta Vab in mV.

Vs = 6 VR = 500 ΩΔR = 100 Ω
Vab = mV
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−2 mV

Un quarto di ponte con un estensimetro attivo (GF = 2) è eccitato con 10 V. Sotto carico l’uscita indica 2 mV. Trova la deformazione ε in µε.

Vs = 10 VGF = 2Vo = 2 mV
ε = µε
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = 810 V2ᴺ − 11 LSB0,561 V?

Un ADC a 8 bit con campo d’ingresso da 0 a 10 V tronca: il suo codice di uscita è ⌊Vin/LSB⌋ con 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Trova il codice di uscita decimale D per un ingresso di 0,561 V.

N = 8VFSR = 10 VVin = 0,561 V
D =
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
f0fs​/2fs​14 kHz3f₁?

Un’onda quadra a 14 kHz è campionata a 50 kHz senza filtro anti-aliasing. Un’onda quadra contiene le armoniche dispari 3f₁, 5f₁, 7f₁, … A quale frequenza fa compare nei dati campionati la sua armonica 3f₁? Esprimila in kHz.

f₁ = 14 kHzfs = 50 kHzarmonica: 3f₁
fa = kHz
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 2 VRa​ = 4,7 kΩRb​ = 100 kΩ

L’amplificatore operazionale è ideale ed è alimentato a ±15 V. Trova la tensione di uscita Vout.

Vin = 2 VRa = 4,7 kΩRb = 100 kΩR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​C = 1 µFVin​ = 2,1 VR = 22 kΩ

L’integratore usa un amplificatore operazionale ideale alimentato a ±15 V; la sua uscita satura a ±12 V. Il condensatore è scarico quando a t = 0 viene applicato un ingresso costante Vin = 2,1 V. Trova la tensione d’uscita Vout a t = 10 ms.

Vin = 2,1 VR = 22 kΩC = 1 µFVsat = ±12 Vt = 10 ms
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​6 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBR6​5 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 ΩR5 = 30 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAab

Trova la corrente di Norton IN: la corrente che scorre da a a b se i morsetti sono cortocircuitati.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​4 ABab

Trova la corrente di Norton IN: la corrente che scorre da a a b se i morsetti sono cortocircuitati.

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 Ω
IN = A

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 272,7 mV

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.

Tensioni dei nodi

Va = 6·600/1100 = 3,273 V
Vb = 3 V

Uscite

Vab = 272,7 mV

Risposta

Vab = 272,7 mV

La stima lineare Vs·ΔR/(4R) = 300 mV è del 10 % troppo alta: un quarto di ponte non è del tutto lineare.

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 = 4·0,002/(10·2) = 0,0004

In microdeformazioni

ε = 400 µε

Risposta

ε = 400 µε
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: D = 14

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 = 10/28 = 39,06 mV

Codice

Vin/LSB = 561/39,06 = 14,36
codice = ⌊14,36⌋ = 14

Risposta

D = 14

In binario è 00001110.

4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fa = 8 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 dell’armonica

3f₁ = 3·14 kHz = 42 kHz

Multiplo più vicino della frequenza di campionamento

m = round(0,84) = 1

Frequenza di alias

fa = |42 − 1·50| = 8 kHz

Risposta

fa = 8 kHz

L’alias cade dentro la banda del segnale, dove nessun filtro digitale può rimuoverlo. Aiuta solo un filtro analogico prima dell’ADC.

5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = 3,82 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 2·100/(4,7 + 100) = 1,91 V

Guadagno non invertente

V₋ = V₊, e la corrente in R₁ scorre anche in Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1,91·(1 + 10/10) = 3,82 V

Risposta

Vout = 3,82 V
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = −0,9545 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.

Corrente d’ingresso e velocità di variazione

kΩ per µF dà millisecondi.

RC = 22 kΩ · 1 µF = 22 ms
velocità di variazione = −Vin/(RC) = −2,1/22 = −0,09545 V/ms

Uscita all’istante dato

Il valore ideale è all’interno di ±Vsat, quindi l’integratore non è ancora in saturazione.

Vout = −Vin·t/(RC) = −2,1·10/22 = −0,9545 V

Risposta

Vout = −0,9545 V
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,9857 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​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​6 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 + 6 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Req = R1 + 5,217 = 10 + 5,217 = 15,22 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 = 15/15,22 = 0,9857 A

Risposta

IR1 = 0,9857 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 17,44 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​ = 3 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBR6​5 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 = 30 + 5 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 8,936 Ω
R3 + 8,936 = 11,94 Ω
R2 ∥ 11,94 = 5,441 Ω
Req = R1 + 5,441 = 12 + 5,441 = 17,44 Ω

Risposta

Req = 17,44 Ω
9.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,4737 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​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​5 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 10 = 11,88 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​5 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) = 9·5/(3+5) = 5,625 V
IN​0,4737 ARth​11,88 Ωab

Equivalente di Norton

Un generatore di Norton è lo stesso circuito visto come un generatore di corrente in parallelo con R_th. La sua corrente è la corrente di cortocircuito tra a–b.

IN = Vth/Rth = 5,625/11,88 = 0,4737 A
10.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 4,077 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​ = 30 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 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 30 = 35,45 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​4 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) = 2,727 + 4·5,455 = 24,55 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24,55 + 4·30 = 144,5 V
IN​4,077 ARth​35,45 Ωab

Equivalente di Norton

Un generatore di Norton è lo stesso circuito visto come un generatore di corrente in parallelo con R_th. La sua corrente è la corrente di cortocircuito tra a–b.

IN = Vth/Rth = 144,5/35,45 = 4,077 A

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