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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
+−3 V100 Ω100 Ω + ΔR100 Ω100 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 100 Ω e Vs = 3 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 15 Ω. Trova l’uscita esatta Vab in mV.

Vs = 3 VR = 100 ΩΔR = 15 Ω
Vab = mV
2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−3 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Un ponte con rami da 350 Ω è eccitato con 3 V e ha un estensimetro attivo (quarto di ponte). Il fattore di taratura è 2,05 e la deformazione è 1200 µε. Trova l’uscita del ponte Vo in mV.

Vs = 3 VGF = 2,05ε = 1200 µε
Vo = mV
3.Acquisizione dati e campionamentoMedia
tTs​ = 1/fs​f = 1,7 kHzfs​ = 1 kHz

Una sinusoide a 1,7 kHz è campionata a 1 kHz senza filtro anti-aliasing. A quale frequenza fa compare nei campioni? Esprimila in Hz.

f = 1,7 kHzfs = 1 kHz
fa = Hz
4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
T1 mV/°C×20∿01N = 8, 3,3 V? °C/LSB

Un sensore di temperatura fornisce 1 mV/°C (0 V a 0 °C). Il suo segnale è amplificato 20 volte e inviato a un ADC a 8 bit con campo da 0 a 3,3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Trova la variazione di temperatura ΔTLSB corrispondente a un LSB.

S = 1 mV/°CG = 20N = 8VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = 4,5 VRa​ = 47 kΩRb​ = 2 kΩ

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

Vin = 4,5 VRa = 47 kΩRb = 2 kΩR1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​C = 1 µFVin​ = 2,5 VR = 47 kΩ

L’integratore usa un amplificatore operazionale ideale alimentato a ±15 V; la sua uscita satura a ±12 V. Il condensatore è scarico quando a t = 0 viene applicato un ingresso costante Vin = 2,5 V. Quanto tempo dopo t = 0 l’uscita raggiunge la saturazione? Trova t.

Vin = 2,5 VR = 47 kΩC = 1 µFVsat = ±12 V
t = ms
7.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​20 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
8.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​4 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​15 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 36 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 ΩR5 = 10 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩARL​5 ΩIL​B

Un carico RL = 5 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 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAIs​3 ABRL​20 ΩIL​

Un carico RL = 20 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩRL = 20 Ω
PL = W

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 104,7 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 = 3·115/215 = 1,605 V
Vb = 1,5 V

Uscite

Vab = 104,7 mV

Risposta

Vab = 104,7 mV

La stima lineare Vs·ΔR/(4R) = 112,5 mV è del 7,5 % troppo alta: un quarto di ponte non è del tutto lineare.

2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vo = 1,845 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 = 2,05·1200·10⁻⁶ = 0,00246

Uscita del ponte

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0,00246/4 = 1,845 mV

Risposta

Vo = 1,845 mV
3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fa = 300 Hz

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 di Nyquist

fs/2 = 500 Hz < f = 1,7 kHz

Multiplo più vicino della frequenza di campionamento

k = round(1700/1000) = 2

Frequenza di alias

fa = |1700 − 2·1000| = 300 Hz

Risposta

fa = 300 Hz

La curva tratteggiata nella figura è l’alias: passa esattamente per gli stessi campioni.

4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: ΔTLSB = 0,6445 °C

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 = 3300/256 = 12,89 mV

Sensibilità all’ADC

1·20 = 20 mV/°C

Risoluzione in temperatura

ΔTLSB = 12,89/20 = 0,6445 °C

Risposta

ΔTLSB = 0,6445 °C

L’ADC arriva a fondo scala a 165 °C.

5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = 1,043 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 4,5·2/(47 + 2) = 0,1837 V

Guadagno non invertente

V₋ = V₊, e la corrente in R₁ scorre anche in Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,1837·(1 + 22/4,7) = 1,043 V

Risposta

Vout = 1,043 V
6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: t = 225,6 ms

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.

Corrente d’ingresso e velocità di variazione

kΩ per µF dà millisecondi.

RC = 47 kΩ · 1 µF = 47 ms
velocità di variazione = −Vin/(RC) = −2,5/47 = −0,05319 V/ms

Tempo fino alla saturazione

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·47/2,5 = 225,6 ms

Risposta

t = 225,6 ms
7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 11,12 Ω

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​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​20 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 + 20 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 6·35/(6+35) = 5,122 Ω
Req = R1 + 5,122 = 6 + 5,122 = 11,12 Ω

Risposta

Req = 11,12 Ω
8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 1,351 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​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​4 ΩAR4​6 ΩBR6​15 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 4,839 Ω
R3 + 4,839 = 7,839 Ω
R2 ∥ 7,839 = 2,649 Ω
Req = R1 + 2,649 = 15 + 2,649 = 17,65 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 = 36/17,65 = 2,04 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 = 36 − 2,04·15 = 5,403 V
IR2 = VA/R2 = 5,403/4 = 1,351 A

Risposta

IR2 = 1,351 A
9.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,3226 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​ = 2 ΩCORTOR2​5 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​5 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) = 10·5/(10+5) = 3,333 V
Rth​ = 5,333 Ω+−Vth​3,333 VRL​5 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) = 3,333/(5,333 + 5) = 0,3226 A
10.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 9,216 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​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​8 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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 6 = 10,44 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAIs​3 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) = 10,67 + (−3)·4,444 = −2,667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −2,667 + (−3)·6 = −20,67 V
Rth​ = 10,44 Ω−+Vth​20,67 VRL​20 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) = −20,67/(10,44 + 20) = −0,6788 A
PL = IL²·RL = −0,6788²·20 = 9,216 W

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