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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
+−2 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 1000 Ω e Vs = 2 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 50 Ω. Trova l’uscita esatta Vab in mV.

Vs = 2 VR = 1000 ΩΔR = 50 Ω
Vab = mV
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−3 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Un ponte con rami da 120 Ω è eccitato con 3 V e ha quattro estensimetri attivi, due in trazione e due in compressione (ponte intero). Il fattore di taratura è 2,1 e la deformazione è 600 µε. Trova l’uscita del ponte Vo in mV.

Vs = 3 VGF = 2,1ε = 600 µε
Vo = mV
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
tTs​ = 1/fs​f = 2,6 kHzfs​ = 4 kHz

Una sinusoide a 2,6 kHz è campionata a 4 kHz senza filtro anti-aliasing. A quale frequenza fa compare nei campioni? Esprimila in Hz.

f = 2,6 kHzfs = 4 kHz
fa = Hz
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
128⋮8 ch∿01tc​ = 20 µstset​ = 5 µsfs​ = ?

Un multiplexer a 8 canali alimenta un solo ADC. Ogni conversione dura 20 µs e dopo ogni commutazione di canale l’ingresso richiede 5 µs per assestarsi. I canali sono scansionati a turno senza pause. Trova la frequenza di campionamento fs di ciascun canale, in kHz.

n = 8tc = 20 µstset = 5 µs
fs = kHz
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩVin​R1​ = 1 kΩ

L’amplificatore operazionale è ideale ed è alimentato a ±15 V; la sua uscita satura a ±14 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 = 1 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = 0,8 VR1​ = 1 kΩV2​ = −1,1 VR3​ = 10 kΩR4​ = 2 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 = −1,1 VR1 = 1 kΩR2 = 2 kΩR3 = 10 kΩR4 = 2 kΩ
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​12 ΩB

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

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​8 ΩBR6​15 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 5 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩARL​5 ΩIL​B

Un carico RL = 5 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 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAIs​0,5 ABab

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

V1 = 24 VIs = 0,5 AR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
IN = A

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 24,39 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 = 2·1050/2050 = 1,024 V
Vb = 1 V

Uscite

Vab = 24,39 mV

Risposta

Vab = 24,39 mV

La stima lineare Vs·ΔR/(4R) = 25 mV è del 2,5 % troppo alta: un quarto di ponte non è del tutto lineare.

2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vo = 3,78 mV

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.

Variazione relativa di resistenza

ΔR/R = 2,1·600·10⁻⁶ = 0,00126

Uscita del ponte

Vo = Vs·GF·ε = 3·0,00126 = 3,78 mV

Risposta

Vo = 3,78 mV
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fa = 1400 Hz

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 = 2 kHz < f = 2,6 kHz

Multiplo più vicino della frequenza di campionamento

k = round(2600/4000) = 1

Frequenza di alias

fa = |2600 − 1·4000| = 1400 Hz

Risposta

fa = 1400 Hz

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

4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fs = 5 kHz

Velocità dei dati: ogni canale fornisce fs campioni al secondo da N bit, quindi la velocità grezza è canali × fs × N bit/s. In memoria un campione occupa byte interi (un campione a 12 bit è memorizzato in 2 byte), quindi la memoria per una registrazione è canali × fs × byte per campione × tempo. Un ADC multiplexato converte i canali uno dopo l’altro: ogni conversione (con assestamento) richiede t, quindi un giro di n canali richiede n·t e ogni canale è campionato a 1/(n·t).

Tempo per canale

20 + 5 = 25 µs

Tempo per scansione

8·25 = 200 µs

Frequenza di campionamento per canale

fs = 1/200 µs = 5 kHz

Risposta

fs = 5 kHz
5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vin,max = 2,979 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 = 4,7/1 = 4,7

Massimo ingresso prima del taglio

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/4,7 = 2,979 V

Risposta

Vin,max = 2,979 V
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = −2,15 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) = −1,1·2/(10 + 2) = −0,1833 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 = −(2/1)·0,8 + (1 + 2/1)·(−0,1833) = −1,6 + (−0,55) = −2,15 V

Risposta

Vout = −2,15 V
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,6107 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​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​12 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 = 6 + 12 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 20·18/(20+18) = 9,474 Ω
Req = R1 + 9,474 = 20 + 9,474 = 29,47 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 = 18/29,47 = 0,6107 A

Risposta

IR1 = 0,6107 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 21,39 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​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​8 ΩBR6​15 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 = 5 + 15 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 5,714 Ω
R3 + 5,714 = 17,71 Ω
R2 ∥ 17,71 = 9,394 Ω
Req = R1 + 9,394 = 12 + 9,394 = 21,39 Ω

Risposta

Req = 21,39 Ω
9.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,3396 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​ = 4 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​8 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 10 = 12,67 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​8 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) = 9·8/(4+8) = 6 V
Rth​ = 12,67 Ω+−Vth​6 VRL​5 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) = 6/(12,67 + 5) = 0,3396 A
10.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 3,5 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​ = 2 ΩR3​ = 3 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 3 = 4 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 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) = 12 + 0,5·1 = 12,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,5 + 0,5·3 = 14 V
IN​3,5 ARth​4 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 = 14/4 = 3,5 A

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