Misure e strumentazione: pacchetto last-minute

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

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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
+−15 V500 Ω500 Ω + ΔR500 Ω500 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 500 Ω e Vs = 15 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 4 Ω. Usando l’approssimazione per piccole variazioni, trova l’uscita Vab in mV.

Vs = 15 VR = 500 ΩΔR = 4 Ω
Vab = mV
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−12 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Una cella di carico (un ponte intero di estensimetri) ha un’uscita nominale di 1 mV/V al carico nominale di 50 kg. È eccitata con 12 V. Trova la sua uscita Vo sotto un carico di 37,5 kg.

1 mV/VFrated = 50 kgVs = 12 VF = 37,5 kg
Vo = mV
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = ?100 mm2ᴺ − 10≤ 0,2 mm

Un sensore misura distanza su un campo di 100 mm e la sua uscita riempie tutto il campo d’ingresso di un ADC. La lettura deve risolvere 0,2 mm. Trova il più piccolo numero di bit N necessario all’ADC.

campo = 100 mmrisoluzione = 0,2 mm
N =
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​20 MHz / (16·D)

Un microcontrollore con clock a 20 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 19200 baud. Trova l’errore percentuale del baud rate reale (positivo se è troppo veloce).

fclk = 20 MHzvalore desiderato = 19200 Bd
e = %
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 100 kΩVin​ = −0,9 V

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

Vin = −0,9 VR1 = 100 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = 0,4 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −0,7 VR2​ = 1 kΩ

L’amplificatore sommatore usa un amplificatore operazionale ideale alimentato a ±15 V. Trova la tensione di uscita Vout.

V1 = 0,4 VV2 = −0,7 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBR6​25 Ω

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

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAab

Trova la resistenza di Thévenin Rth vista dai morsetti a–b.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAIs​4 ABRL​12 ΩIL​

Un carico RL = 12 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩRL = 12 Ω
PL = W

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 30 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.

Variazione relativa

ΔR/R = 4/500 = 0,008

Uscita linearizzata

Vab ≈ 15·0,008/4 = 30 mV

Risposta

Vab = 30 mV

Il valore esatto è 29,88 mV; l’approssimazione è buona finché ΔR/R è piccolo.

2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vo = 9 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.

Uscita a fondo scala

1·12 = 12 mV

Uscita a questo carico

Vo = 12·37,5/50 = 9 mV

Risposta

Vo = 9 mV
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: N = 9

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.

Passi necessari

100/0,2 = 500

Bit

log₂(500) = 8,966
28 = 256 < 500 ≤ 29 = 512
N = 9

Risposta

N = 9
4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: e = 0,1603 %

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 = 20·10⁶/(16·19200) = 65,1 → 65

Baud rate reale

20·10⁶/(16·65) = 19231 Bd

Errore

(19231 − 19200)/19200·100 = 0,1603 %

Risposta

e = 0,1603 %

Un errore sotto circa il 2 % di solito è accettabile.

5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = −1,8 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.

L’ingresso invertente segue l’ingresso

V₋ = V₊ = −0,9 V
I = V₋/R1 = −0,9/100 = −0,009 mA

Tensione di uscita

La corrente in R₁ scorre anche in Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,9 + (−0,009)·100 = −1,8 V

Risposta

Vout = −1,8 V
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = 2,89 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.

Correnti di ingresso

V₋ = 0, quindi ogni resistore di ingresso ha ai capi l’intera tensione di ingresso.

I1 = V1/R1 = 0,4/4,7 = 0,08511 mA
I2 = V2/R2 = −0,7/1 = −0,7 mA
If = I1 + I2 = −0,6149 mA

Tensione di uscita

Vout = −Rf·If = −4,7·(−0,6149) = 2,89 V

Risposta

Vout = 2,89 V
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,9502 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​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​8 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 = 2 + 12 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 8·14/(8+14) = 5,091 Ω
Req = R1 + 5,091 = 15 + 5,091 = 20,09 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 = 30/20,09 = 1,493 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 = 30 − 1,493·15 = 7,602 V
IR2 = VA/R2 = 7,602/8 = 0,9502 A

Risposta

IR2 = 0,9502 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,545 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​ = 10 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​12 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 = 15 + 25 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 9,231 Ω
R3 + 9,231 = 19,23 Ω
R2 ∥ 19,23 = 5,65 Ω
Req = R1 + 5,65 = 6 + 5,65 = 11,65 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 = 18/11,65 = 1,545 A

Risposta

IR1 = 1,545 A
9.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 8 Ω

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​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 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 4 = 8 Ω
10.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 81,78 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​ = 15 ΩR3​ = 20 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 20 = 26 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 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) = 4,8 + (−4)·6 = −19,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −19,2 + (−4)·20 = −99,2 V
Rth​ = 26 Ω−+Vth​99,2 VRL​12 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) = −99,2/(26 + 12) = −2,611 A
PL = IL²·RL = −2,611²·12 = 81,78 W

ExamProblems · examproblems.com/courses/measurement-and-instrumentation