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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: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Uscite: V_ab = V_a − V_b
Bilancio: R₁/R₂ = R₃/R₄
Ponte a filo: R/R_x = l/(100 − l)
Resistenza di Thévenin: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
Fattore di taratura: ΔR/R = GF·ε
Uscita del ponte: quarto V_s·GF·ε/4, mezzo V_s·GF·ε/2, intero V_s·GF·ε
Piccola variazione, un ramo: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
Tensione: σ = E·ε

Metodo

Tratta il ponte come due partitori di tensione ai capi della stessa alimentazione.
Per l’equilibrio, poni R₁/R₂ = R₃/R₄ e ricava la resistenza incognita.
Per un ponte non equilibrato, ricava V_a e V_b dai partitori e sottrai; usa l’equivalente di Thévenin quando uno strumento carica l’uscita.
Per gli estensimetri, converti la deformazione in ΔR/R = GF·ε e usa V_s·GF·ε/4, /2 o ×1 per un quarto, mezzo o ponte intero.

Acquisizione dati e campionamento

Criterio di Nyquist: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
Frequenza di alias: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
Passo di quantizzazione: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
Errore di quantizzazione (arrotondamento): ±½ LSB
Codice di un ADC a troncamento: D = ⌊V_in/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 × f_s × N bit/s
ADC multiplexato: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/baud; 8N1 = 10 bit per byte; byte/s = baud/bit per frame
Divisore del baud rate: baud = f_clk/(16·D)

Metodo

Scrivi i dati: frequenza di campionamento, frequenze del segnale, numero di bit, campo d’ingresso, baud rate.
Nei problemi di campionamento confronta ogni frequenza con f_s/2; una frequenza più alta compare a f_a = |f − k·f_s|, con il multiplo di f_s più vicino.
Nei problemi di risoluzione trova 1 LSB = V_FSR/2ᴺ, oppure il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/risoluzione.
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: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Amplificatore non invertente: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Amplificatore sommatore: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Amplificatore operazionale ideale: V₊ = V₋, I_in = 0

Resistori in serie e parallelo

Resistenze in serie: R_eq = R₁ + R₂ + …
Resistenze in parallelo: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Due in parallelo: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Legge di Ohm: V = I·R
Potenza: P = V·I = I²R = V²/R

Metodo

Parti dall’estremità della rete più lontana dai morsetti.
Combina i resistori in serie sommandoli e quelli in parallelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Ridisegna il circuito dopo ogni passaggio.
Ripeti finché tra i morsetti resta un solo resistore.

Thévenin e Norton

Tensione di Thévenin: V_th = V_{open circuit}
Resistenza di Thévenin: R_th: tutti i generatori spenti, vista da a–b
Corrente di Norton: I_N = V_th/R_th
Corrente nel carico: I_L = V_th/(R_th + R_L)
Massimo trasferimento di potenza: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

Metodo

Togli il carico e indica i due morsetti a e b.
Trova la tensione a vuoto tra a e b: questa è V_th.
Spegni tutti i generatori indipendenti e trova la resistenza vista da a–b: questa è R_th.
Ricollega il carico al circuito equivalente: V_th in serie con R_th.
Per l’equivalente di Norton, converti: I_N = V_th/R_th, con R_N = R_th in parallelo.

2Esercizi

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia

Un ponte ha quattro rami da 400 Ω e V_s = 9 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 2 Ω. Usando l’approssimazione per piccole variazioni, trova l’uscita V_ab in mV.

V_s = 9 VR = 400 ΩΔR = 2 Ω

V_ab = mV

2.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile

Un quarto di ponte (un estensimetro attivo, GF = 2) è eccitato con 3 V. La massima deformazione da misurare è 600 µε e deve dare 5 V all’ingresso di un convertitore analogico-digitale. Trova il guadagno dell’amplificatore G.

V_s = 3 VGF = 2ε_max = 600 µεV_FS = 5 V

G =

3.Acquisizione dati e campionamentoMedia

Una UART invia byte a 19200 baud nel formato 8E1: 8 bit di dati, un bit di parità pari e 1 bit di stop, più il bit di start. Trova il massimo numero di byte di dati al secondo che può trasferire.

baud = 19200 Bd8E1

R_B = B/s

4.Acquisizione dati e campionamentoDifficile

Un ADC a 16 bit invia ogni campione tramite UART a 19200 baud, formato 8N1 (bit di start, 8 bit di dati, 1 bit di stop). Ogni campione è inviato come 2 byte interi e il collegamento è occupato in continuazione. Trova la frequenza massima del segnale f_max che può essere campionata senza aliasing, in Hz.

baud = 19200 BdN = 168N1

f_max = Hz

5.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia

L’amplificatore differenziale usa un amplificatore operazionale ideale alimentato a ±15 V, con R₃ = R₁ e R₄ = R₂. Trova la tensione di uscita V_out.

V₁ = 1 VV₂ = −0,3 VR₁ = R₃ = 4,7 kΩR₂ = R₄ = 10 kΩ

V_out = V

6.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile

L’amplificatore operazionale è ideale ed è alimentato a ±15 V. I rapporti tra i resistori non sono bilanciati. Trova la tensione d’uscita V_out.

V₁ = 0,7 VV₂ = 1,2 VR₁ = 2 kΩR₂ = 4,7 kΩR₃ = 47 kΩR₄ = 2 kΩ

V_out = V

7.Resistori in serie e paralleloMedia

Trova la corrente I_R2 in R₂.

V₁ = 18 VR₁ = 12 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 3 Ω

I_R2 = A

8.Resistori in serie e paralleloDifficile

Trova la resistenza equivalente R_eq vista dal generatore V₁.

V₁ = 6 VR₁ = 2 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 3 ΩR₅ = 25 ΩR₆ = 3 Ω

R_eq = Ω

9.Thévenin e NortonMedia

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

V₁ = 10 VR₁ = 2 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 20 Ω

R_th = Ω

10.Thévenin e NortonDifficile

Un carico R_L = 3 Ω è collegato tra a–b. Sostituisci il resto del circuito con il suo equivalente di Thévenin e trova la corrente nel carico I_L.

V₁ = 5 VI_s = 5 AR₁ = 15 ΩR₂ = 30 ΩR₃ = 15 ΩR_L = 3 Ω

I_L = A

3Soluzioni

1.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: V_ab = 11,25 mV

Ponte di Wheatstone: due partitori di tensione condividono un’unica alimentazione V_s. Il partitore sinistro R₁–R₂ dà V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) e il partitore destro R₃–R₄ dà V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); l’uscita è V_ab = V_a − V_b. Il ponte è in equilibrio (V_ab = 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 R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

Variazione relativa

ΔR/R = 2/400 = 0,005

Uscita linearizzata

V_ab ≈ 9·0,005/4 = 11,25 mV

Risposta

V_ab = 11,25 mV

Il valore esatto è 11,22 mV; l’approssimazione è buona finché ΔR/R è piccolo.

2.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: G = 5556

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 V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Due estensimetri attivi con deformazioni opposte in rami adiacenti (mezzo ponte) danno V_s·GF·ε/2, e quattro (ponte intero) danno V_s·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.

Uscita del ponte a fondo scala

V_o = 0,9 mV

Guadagno

G = 5/0,0009 = 5556

Risposta

G = 5556

3.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: R_B = 1745 B/s

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 T_b = 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 = f_clk/(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.

Bit per frame

1 + 8 + 1 + 1 = 11

Byte al secondo

19200/11 = 1745 B/s

Risposta

R_B = 1745 B/s

4.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: f_max = 480 Hz

Bit per campione sulla linea

2·10 = 20 bit

Frequenza di campionamento massima

f_s,max = 19200/20 = 960 Hz

Limite di Nyquist

f_max = 960/2 = 480 Hz

Risposta

f_max = 480 Hz

5.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: V_out = −2,766 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 agli ingressi

R₃ e R₄ portano la stessa corrente, quindi formano un partitore di tensione; la retroazione rende V₋ = V₊.

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = −0,3·10/(4,7 + 10) = −0,2041 V

V₋ = V₊

LKC all’ingresso invertente

(1 − −0,2041)/4,7 = (−0,2041 − V_out)/10

V_out = (R₂/R₁)·(V₂ − V₁) = (10/4,7)·(−0,3 − 1) = −2,766 V

Risposta

V_out = −2,766 V

6.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: V_out = −1,481 V

Tensione all’ingresso +

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 1,2·2/(47 + 2) = 0,04898 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.

V_out = −(4,7/2)·0,7 + (1 + 4,7/2)·0,04898 = −1,645 + 0,1641 = −1,481 V

Risposta

V_out = −1,481 V

7.Resistori in serie e parallelo

Risposta: I_R2 = 0,4599 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.

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 = 4 + 3 = 7 Ω

R₂ ∥ 7 = 10·7/(10+7) = 4,118 Ω

R_eq = R₁ + 4,118 = 12 + 4,118 = 16,12 Ω

Corrente dal generatore

Il generatore vede solo R_eq, quindi la legge di Ohm dà la corrente che eroga. Quella corrente scorre in R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 18/16,12 = 1,117 A

Corrente in R₂

Sottrai la caduta su R₁ per ottenere la tensione al nodo A, che è la tensione ai capi di R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 18 − 1,117·12 = 4,599 V

I_R2 = V_A/R₂ = 4,599/10 = 0,4599 A

Risposta

I_R2 = 0,4599 A

8.Resistori in serie e parallelo

Risposta: R_eq = 3,833 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 = 25 + 3 = 28 Ω

R₄ ∥ 28 = 2,71 Ω

R₃ + 2,71 = 4,71 Ω

R₂ ∥ 4,71 = 1,833 Ω

R_eq = R₁ + 1,833 = 2 + 1,833 = 3,833 Ω

Risposta

R_eq = 3,833 Ω

9.Thévenin e Norton

Risposta: R_th = 21,43 Ω

Teorema di Thévenin: ogni rete lineare a due morsetti si comporta come un unico generatore di tensione V_th in serie con una resistenza R_th. Il teorema di Norton dà la stessa rete come generatore di corrente I_N = V_th/R_th in parallelo con R_th.

Trova R_th 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 1,429 + 20 = 21,43 Ω

10.Thévenin e Norton

Risposta: I_L = 4,583 A

Trova R_th 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 = 15·30/(15+30) = 10 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 10 + 15 = 25 Ω

Trova V_th, 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.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 3,333 + 5·10 = 53,33 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 53,33 + 5·15 = 128,3 V

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.

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 128,3/(25 + 3) = 4,583 A

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Acquisizione dati e campionamento

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Resistori in serie e parallelo

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Thévenin e Norton

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Variazione relativa

Uscita linearizzata

Risposta

Uscita del ponte a fondo scala

Guadagno

Risposta

Bit per frame

Byte al secondo

Risposta

Bit per campione sulla linea

Frequenza di campionamento massima

Limite di Nyquist

Risposta

Tensione agli ingressi

LKC all’ingresso invertente

Risposta

Tensione all’ingresso +

Sovrapponi i due ingressi

Risposta

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Corrente dal generatore

Corrente in R₂

Risposta

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Risposta

Trova Rth con tutti i generatori spenti

Trova Rth con tutti i generatori spenti

Trova Vth, la tensione a vuoto

Collega il carico all’equivalente di Thévenin

Trova R_th con tutti i generatori spenti

Trova R_th con tutti i generatori spenti

Trova V_th, la tensione a vuoto