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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
+−9 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 120 Ω e Vs = 9 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 18 Ω. Trova l’uscita esatta Vab in mV.

Vs = 9 VR = 120 ΩΔR = 18 Ω
Vab = mV
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−1,575 mV

Un quarto di ponte con un estensimetro attivo (GF = 2,1) è eccitato con 5 V. Sotto carico l’uscita indica 1,575 mV. Trova la deformazione ε in µε.

Vs = 5 VGF = 2,1Vo = 1,575 mV
ε = µε
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = 1210 V2ᴺ − 101 LSB5,739 V?

Un ADC a 12 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 5,739 V.

N = 12VFSR = 10 VVin = 5,739 V
D =
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
f0fs​/2fs​2fs​3fs​9 kHz7f₁?

Un’onda quadra a 9 kHz è campionata a 20 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 7f₁? Esprimila in kHz.

f₁ = 9 kHzfs = 20 kHzarmonica: 7f₁
fa = kHz
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 22 kΩVin​

L’amplificatore operazionale è ideale ed è alimentato a ±15 V; la sua uscita satura a ±14 V. L’amplificatore non 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 = 22 kΩRf = 100 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −0,7 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0,7 VR2​ = 100 kΩ

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

V1 = −0,7 VV2 = 0,7 VR1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBR6​10 Ω

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

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 ΩR5 = 2 ΩR6 = 10 Ω
IR1 = A
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAIs​0,5 ABRL​10 ΩIL​

Un carico RL = 10 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 36 VIs = 0,5 AR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩRL = 10 Ω
PL = W

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 314 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 = 9·138/258 = 4,814 V
Vb = 4,5 V

Uscite

Vab = 314 mV

Risposta

Vab = 314 mV

La stima lineare Vs·ΔR/(4R) = 337,5 mV è del 7,5 % troppo alta: un quarto di ponte non è del tutto lineare.

2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: ε = 600 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 = 4·0,001575/(5·2,1) = 0,0006

In microdeformazioni

ε = 600 µε

Risposta

ε = 600 µε
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: D = 2350

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 = 10/212 = 2,441 mV

Codice

Vin/LSB = 5739/2,441 = 2351
codice = ⌊2351⌋ = 2350

Risposta

D = 2350

In binario è 100100101110.

4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fa = 3 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

7f₁ = 7·9 kHz = 63 kHz

Multiplo più vicino della frequenza di campionamento

m = round(3,15) = 3

Frequenza di alias

fa = |63 − 3·20| = 3 kHz

Risposta

fa = 3 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: Vin,max = 2,525 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/22 = 5,545

Massimo ingresso prima del taglio

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/5,545 = 2,525 V

Risposta

Vin,max = 2,525 V
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = 0,686 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 = −0,7/2 = −0,35 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/100 = 0,007 mA
If = I1 + I2 = −0,343 mA

Tensione di uscita

Vout = −Rf·If = −2·(−0,343) = 0,686 V

Risposta

Vout = 0,686 V
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,18 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​9 VR2​10 ΩAR4​4 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 + 4 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Req = R1 + 5 = 20 + 5 = 25 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 = 9/25 = 0,36 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 = 9 − 0,36·20 = 1,8 V
IR2 = VA/R2 = 1,8/10 = 0,18 A

Risposta

IR2 = 0,18 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,358 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​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBR6​10 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 = 2 + 10 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6 Ω
R3 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 2,625 Ω
Req = R1 + 2,625 = 4 + 2,625 = 6,625 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 = 9/6,625 = 1,358 A

Risposta

IR1 = 1,358 A
9.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 1,565 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​ = 5 ΩCORTOR2​12 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 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 5 = 10,45 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​12 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) = 30·12/(10+12) = 16,36 V
IN​1,565 ARth​10,45 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 = 16,36/10,45 = 1,565 A
10.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 5,935 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​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩCORTOR2​15 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 20 = 28,57 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​15 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) = 15,43 + 0,5·8,571 = 19,71 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,71 + 0,5·20 = 29,71 V
Rth​ = 28,57 Ω+−Vth​29,71 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) = 29,71/(28,57 + 10) = 0,7704 A
PL = IL²·RL = 0,7704²·10 = 5,935 W

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