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
+−2 V500 Ω500 Ω + ΔR500 Ω500 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 500 Ω e Vs = 2 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 125 Ω. Trova l’uscita esatta Vab in mV.

Vs = 2 VR = 500 ΩΔR = 125 Ω
Vab = mV
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−1 mV

Un estensimetro (GF = 2) su un elemento con E = 70 GPa forma un quarto di ponte eccitato con 5 V. L’uscita indica 1 mV. Trova la tensione assiale σ in MPa.

Vs = 5 VGF = 2Vo = 1 mVE = 70 GPa
σ = MPa
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = 1010 V2ᴺ − 101 LSB6,978 V?

Un ADC a 10 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 6,978 V.

N = 10VFSR = 10 VVin = 6,978 V
D =
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Una misura audio richiede un rapporto segnale/rumore di quantizzazione ideale di almeno 90 dB per una sinusoide a fondo scala. Trova il più piccolo numero di bit dell’ADC N.

SQNR ≥ 90 dB
N =
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 47 kΩVin​ = 1,1 V

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

Vin = 1,1 VR1 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1,4 VR1​ = 100 kΩV2​ = −1 VR3​ = 2 kΩR4​ = 10 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 = 1,4 VV2 = −1 VR1 = 100 kΩR2 = 47 kΩR3 = 2 kΩR4 = 10 kΩ
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​10 ΩB

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

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​25 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 ΩR5 = 3 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAIs​0,5 ABab

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

V1 = 18 VIs = 0,5 AR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 111,1 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 = 2·625/1125 = 1,111 V
Vb = 1 V

Uscite

Vab = 111,1 mV

Risposta

Vab = 111,1 mV

La stima lineare Vs·ΔR/(4R) = 125 mV è del 12,5 % troppo alta: un quarto di ponte non è del tutto lineare.

2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: σ = 28 MPa

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.

Deformazione

ε = 4·0,001/(5·2) = 0,0004

Tensione

σ = 70·10³ MPa·0,0004 = 28 MPa

Risposta

σ = 28 MPa
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: D = 714

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 = 10/210 = 9,766 mV

Codice

Vin/LSB = 6978/9,766 = 714,5
codice = ⌊714,5⌋ = 714

Risposta

D = 714

In binario è 1011001010.

4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: N = 15

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 ≥ (90 − 1,76)/6,02 = 14,66

Arrotonda per eccesso

N = 15
verifica: 6,02·15 + 1,76 = 92,06 dB ≥ 90 dB

Risposta

N = 15
5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = 3,44 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₊ = 1,1 V
I = V₋/R1 = 1,1/47 = 0,0234 mA

Tensione di uscita

La corrente in R₁ scorre anche in Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1,1 + 0,0234·100 = 3,44 V

Risposta

Vout = 3,44 V
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = −1,883 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) = −1·10/(2 + 10) = −0,8333 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 = −(47/100)·1,4 + (1 + 47/100)·(−0,8333) = −0,658 + (−1,225) = −1,883 V

Risposta

Vout = −1,883 V
7.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​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​10 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 = 15 + 10 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Req = R1 + 2,679 = 15 + 2,679 = 17,68 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 = 24/17,68 = 1,358 A

Risposta

IR1 = 1,358 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,2599 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​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​6 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 = 3 + 25 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 4,941 Ω
R3 + 4,941 = 16,94 Ω
R2 ∥ 16,94 = 9,172 Ω
Req = R1 + 9,172 = 12 + 9,172 = 21,17 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 = 12/21,17 = 0,5668 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 = 12 − 0,5668·12 = 5,199 V
IR2 = VA/R2 = 5,199/20 = 0,2599 A

Risposta

IR2 = 0,2599 A
9.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 4,6 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​ = 8 ΩR3​ = 3 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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 3 = 4,6 Ω
10.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 17 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​ = 30 ΩR3​ = 12 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 = 30·15/(30+15) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 12 = 22 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 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) = 6 + 0,5·10 = 11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11 + 0,5·12 = 17 V

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