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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
+−12 V150 Ω150 Ω + ΔR150 Ω150 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 150 Ω e Vs = 12 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 0,3 Ω. Usando l’approssimazione per piccole variazioni, trova l’uscita Vab in mV.

Vs = 12 VR = 150 ΩΔR = 0,3 Ω
Vab = mV
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−

Un estensimetro da 120 Ω con fattore di taratura 2,1 è incollato su una barra d’acciaio. Sotto carico la sua resistenza aumenta di 0,189 Ω. Trova la deformazione ε in microdeformazioni (µε).

R = 120 ΩGF = 2,1ΔR = 0,189 Ω
ε = µε
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
∿01N = 1210 kHz? MB

Un registratore campiona un canale a 10 kHz con un ADC a 12 bit. Ogni campione è memorizzato in byte interi. Trova la memoria M necessaria per una registrazione di 60 min, in MB (1 MB = 10⁶ byte).

n = 1fs = 10 kHzN = 12t = 60 min
M = MB
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​16 MHz / (16·D)

Un microcontrollore con clock a 16 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 115200 baud. Trova l’errore percentuale del baud rate reale (positivo se è troppo veloce).

fclk = 16 MHzvalore desiderato = 115200 Bd
e = %
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 2 kΩVin​

Scegli il resistore di retroazione Rf che dà a questo amplificatore non invertente un guadagno di tensione di 4.

R1 = 2 kΩAv = 4
Rf = kΩ
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = −2 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,6 VR3​ = 47 kΩR4​ = 2 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 = −2 VV2 = 1,6 VR1 = 22 kΩR2 = 2 kΩR3 = 47 kΩR4 = 2 kΩ
Vout = V
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​15 ΩB

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

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩIR2​AR4​5 ΩBR6​10 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 ΩR5 = 2 ΩR6 = 10 Ω
IR2 = A
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 Ω
IN = A

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 6 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 = 0,3/150 = 0,002

Uscita linearizzata

Vab ≈ 12·0,002/4 = 6 mV

Risposta

Vab = 6 mV

Il valore esatto è 5,994 mV; l’approssimazione è buona finché ΔR/R è piccolo.

2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: ε = 750 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.

Variazione relativa di resistenza

ΔR/R = 0,189/120 = 0,001575

Deformazione

ε = 0,001575/2,1 = 0,00075 = 750 µε

Risposta

ε = 750 µε
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: M = 72 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

⌈12/8⌉ = 2 B

Byte al secondo

1·10000·2 = 20000 B/s

Memoria

M = 20000·3600 = 7,2 × 10⁷ B = 72 MB

Risposta

M = 72 MB
4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: e = −3,549 %

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 = 16·10⁶/(16·115200) = 8,681 → 9

Baud rate reale

16·10⁶/(16·9) = 111111 Bd

Errore

(111111 − 115200)/115200·100 = −3,549 %

Risposta

e = −3,549 %

Un errore sopra circa il 2 % rende il collegamento inaffidabile: scegli un altro clock o un altro baud rate.

5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Rf = 6 kΩ

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 un amplificatore non invertente

V₋ = V₊ = Vin, e la corrente in R₁ scorre anche in Rf, quindi Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (4 − 1)·2 = 6 kΩ

Risposta

Rf = 6 kΩ
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = 0,2531 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) = 1,6·2/(47 + 2) = 0,06531 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 = −(2/22)·(−2) + (1 + 2/22)·0,06531 = 0,1818 + 0,07124 = 0,2531 V

Risposta

Vout = 0,2531 V
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,7099 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​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​15 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Req = R1 + 2,679 = 10 + 2,679 = 12,68 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 = 9/12,68 = 0,7099 A

Risposta

IR1 = 0,7099 A
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,08119 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​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​5 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 = 3,529 Ω
R3 + 3,529 = 18,53 Ω
R2 ∥ 18,53 = 9,618 Ω
Req = R1 + 9,618 = 20 + 9,618 = 29,62 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 = 5/29,62 = 0,1688 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 = 5 − 0,1688·20 = 1,624 V
IR2 = VA/R2 = 1,624/20 = 0,08119 A

Risposta

IR2 = 0,08119 A
9.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 8 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​ = 3 ΩR3​ = 4 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 4 = 6,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 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) = 10·12/(3+12) = 8 V
10.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 1,364 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​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​4 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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 10 = 12,22 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAIs​1 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) = 4,444 + 1·2,222 = 6,667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,667 + 1·10 = 16,67 V
IN​1,364 ARth​12,22 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 = 16,67/12,22 = 1,364 A

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