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
+−12 VR1​ = 20 ΩR2​ = 200 ΩR3​ = 600 ΩR4​ = 250 ΩabGRg​ = 500 Ω

Un galvanometro con una resistenza di 500 Ω è collegato tra a e b del ponte mostrato (Vs = 12 V). Trova la corrente Ig nel galvanometro da a verso b, in µA.

Vs = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 200 ΩR3 = 600 ΩR4 = 250 ΩRg = 500 Ω
Ig = µA
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−2,5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Un ponte con rami da 120 Ω è eccitato con 2,5 V e ha un estensimetro attivo (quarto di ponte). Il fattore di taratura è 2,1 e la deformazione è 500 µε. Trova l’uscita del ponte Vo in mV.

Vs = 2,5 VGF = 2,1ε = 500 µε
Vo = mV
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = 122,5 V2ᴺ − 101 LSB1,396 V?

Un ADC a 12 bit con campo d’ingresso da 0 a 2,5 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 1,396 V.

N = 12VFSR = 2,5 VVin = 1,396 V
D =
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
126⋮6 ch∿01tc​ = 4 µstset​ = 5 µsfs​ = ?

Un multiplexer a 6 canali alimenta un solo ADC. Ogni conversione dura 4 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 = 6tc = 4 µstset = 5 µs
fs = kHz
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −1,5 V

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

Vin = −1,5 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −1,6 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −1 VR2​ = 100 kΩ

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

V1 = −1,6 VV2 = −1 VR1 = 4,7 kΩR2 = 100 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩIR2​AR4​8 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​3 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 ΩR5 = 15 ΩR6 = 3 Ω
IR2 = A
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩARL​2 ΩIL​B

Un carico RL = 2 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 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​1,5 ABRL​10 ΩIL​

Un carico RL = 10 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 VIs = 1,5 AR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩRL = 10 Ω
IL = A

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Ig = 10624 µA

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 di Thévenin

Vth = 12·(200/220 − 250/850) = 7,38 V

Resistenza di Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 194,7 Ω

Corrente nel galvanometro

Ig = 7,38/(194,7 + 500) = 10624 µA

Risposta

Ig = 10624 µA
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vo = 0,6563 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 = 2,1·500·10⁻⁶ = 0,00105

Uscita del ponte

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2,5·0,00105/4 = 0,6563 mV

Risposta

Vo = 0,6563 mV
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: D = 2287

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 = 2,5/212 = 0,6104 mV

Codice

Vin/LSB = 1396/0,6104 = 2287
codice = ⌊2287⌋ = 2287

Risposta

D = 2287

In binario è 100011101111.

4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fs = 18,52 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

4 + 5 = 9 µs

Tempo per scansione

6·9 = 54 µs

Frequenza di campionamento per canale

fs = 1/54 µs = 18,52 kHz

Risposta

fs = 18,52 kHz
5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = −4,5 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₊ = −1,5 V
I = V₋/R1 = −1,5/1 = −1,5 mA

Tensione di uscita

La corrente in R₁ scorre anche in Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −1,5 + (−1,5)·2 = −4,5 V

Risposta

Vout = −4,5 V
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = 1,647 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 = −1,6/4,7 = −0,3404 mA
I2 = V2/R2 = −1/100 = −0,01 mA
If = I1 + I2 = −0,3504 mA

Tensione di uscita

Vout = −Rf·If = −4,7·(−0,3504) = 1,647 V

Risposta

Vout = 1,647 V
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 2,609 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​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​8 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 = 8 + 8 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 4·16/(4+16) = 3,2 Ω
Req = R1 + 3,2 = 6 + 3,2 = 9,2 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 = 30/9,2 = 3,261 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 − 3,261·6 = 10,43 V
IR2 = VA/R2 = 10,43/4 = 2,609 A

Risposta

IR2 = 2,609 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 1,62 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​ = 2 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​8 ΩBR6​3 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 + 3 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 5,538 Ω
R3 + 5,538 = 9,538 Ω
R2 ∥ 9,538 = 3,683 Ω
Req = R1 + 3,683 = 2 + 3,683 = 5,683 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 = 15/5,683 = 2,639 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 − 2,639·2 = 9,721 V
IR2 = VA/R2 = 9,721/6 = 1,62 A

Risposta

IR2 = 1,62 A
9.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,72 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​ = 5 ΩCORTOR2​2 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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 5 = 6,333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​2 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) = 18·2/(4+2) = 6 V
Rth​ = 6,333 Ω+−Vth​6 VRL​2 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/(6,333 + 2) = 0,72 A
10.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 1,341 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​ = 30 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 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 30 = 31,85 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​1,5 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) = 8,333 + 1,5·1,852 = 11,11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,11 + 1,5·30 = 56,11 V
Rth​ = 31,85 Ω+−Vth​56,11 VRL​10 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) = 56,11/(31,85 + 10) = 1,341 A

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