Misure e strumentazione: pacchetto last-minute

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 V150 Ω150 Ω + ΔR150 Ω150 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 150 Ω e Vs = 6 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 22,5 Ω. Trova l’uscita esatta Vab in mV.

Vs = 6 VR = 150 ΩΔR = 22,5 Ω
Vab = mV
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−3 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Un ponte con rami da 350 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 2,05 e la deformazione è 1000 µε. Trova l’uscita del ponte Vo in mV.

Vs = 3 VGF = 2,05ε = 1000 µε
Vo = mV
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
124⋮4 ch∿01N = 145 kHz? MB

Un registratore campiona 4 canali a 5 kHz ciascuno con un ADC a 14 bit. Ogni campione è memorizzato in byte interi. Trova la memoria M necessaria per una registrazione di 2 min, in MB (1 MB = 10⁶ byte).

n = 4fs = 5 kHzN = 14t = 2 min
M = MB
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Una misura audio richiede un rapporto segnale/rumore di quantizzazione ideale di almeno 40 dB per una sinusoide a fondo scala. Trova il più piccolo numero di bit dell’ADC N.

SQNR ≥ 40 dB
N =
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 10 kΩVin​R1​ = 4,7 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 = 4,7 kΩRf = 10 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
Vin​V1​Vout​stadio 1: invertenteR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 4,7 kΩstadio 2: non invertenteR2​ = 22 kΩRf2​ = 1 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 = 0,55 V. Trova la tensione d’uscita Vout.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 1 kΩVin = 0,55 V
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​12 ΩBR6​8 Ω

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

V1 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 ΩR5 = 12 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAIs​3 ABab

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

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 209,3 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 = 6·172,5/322,5 = 3,209 V
Vb = 3 V

Uscite

Vab = 209,3 mV

Risposta

Vab = 209,3 mV

La stima lineare Vs·ΔR/(4R) = 225 mV è del 7,5 % troppo alta: un quarto di ponte non è del tutto lineare.

2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vo = 6,15 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 = 2,05·1000·10⁻⁶ = 0,00205

Uscita del ponte

Vo = Vs·GF·ε = 3·0,00205 = 6,15 mV

Risposta

Vo = 6,15 mV
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: M = 4,8 MB

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).

Byte per campione

⌈14/8⌉ = 2 B

Byte al secondo

4·5000·2 = 40000 B/s

Memoria

M = 40000·120 = 4,8 × 10⁶ B = 4,8 MB

Risposta

M = 4,8 MB
4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: N = 7

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.

Risolvi per N

N ≥ (40 − 1,76)/6,02 = 6,352

Arrotonda per eccesso

N = 7
verifica: 6,02·7 + 1,76 = 43,9 dB ≥ 40 dB

Risposta

N = 7
5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vin,max = 6,58 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 = 10/4,7 = 2,128

Massimo ingresso prima del taglio

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/2,128 = 6,58 V

Risposta

Vin,max = 6,58 V
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = −0,575 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 = −4,7/4,7 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/22 = 1,045

Stadio per stadio

V1 = −1·0,55 = −0,55 V
Vout = 1,045·(−0,55) = −0,575 V

Risposta

Vout = −0,575 V
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 1,055 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​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​5 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 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 2·9/(2+9) = 1,636 Ω
Req = R1 + 1,636 = 10 + 1,636 = 11,64 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 = 15/11,64 = 1,289 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 = 15 − 1,289·10 = 2,109 V
IR2 = VA/R2 = 2,109/2 = 1,055 A

Risposta

IR2 = 1,055 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,5529 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​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​12 ΩBR6​8 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 = 12 + 8 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 7,5 Ω
R3 + 7,5 = 13,5 Ω
R2 ∥ 13,5 = 3,086 Ω
Req = R1 + 3,086 = 15 + 3,086 = 18,09 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 = 10/18,09 = 0,5529 A

Risposta

IR1 = 0,5529 A
9.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 1,333 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​ = 10 ΩR3​ = 3 ΩCORTOR2​6 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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 3 = 6,75 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​6 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) = 24·6/(10+6) = 9 V
IN​1,333 ARth​6,75 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 = 9/6,75 = 1,333 A
10.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 63,87 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​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​25 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 = 6·25/(6+25) = 4,839 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,839 + 10 = 14,84 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAIs​3 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) = 19,35 + 3·4,839 = 33,87 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,87 + 3·10 = 63,87 V

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