Il corso mira ad approfondire le conoscenze di base acquisite nei precedenti studi di elettronica, applicandole alla progettazione e alla prototipazione di sistemi elettronici. Vengono introdotte le tecniche fondamentali di analisi e di verifica di circuiti elettronici per il condizionamento di segnali provenienti da sensori, per il controllo di attuatori e per la gestione dell'alimentazione. Inoltre, il corso punta a sviluppare abilità pratiche nell'analisi comportamentale dei circuiti mediante software di simulazione circuitale e nella loro verifica funzionale tramite strumentazione di laboratorio. Infine, il corso fornisce un’introduzione all'uso di software CAD per la realizzazione di circuiti stampati e la progettazione di componenti meccaniche adatte alla stampa 3D.
scheda docente
materiale didattico
- Fondamenti della simulazione circuitale e introduzione a SPICE e LTspice.
- Creazione di schemi elettrici, netlist, modelli e sottocircuiti.
- Analisi del punto di lavoro, DC sweep, analisi parametrica, risposta in frequenza, rumore e risposta nel dominio del tempo.
- Valutazione delle prestazioni di circuiti e amplificatori: funzione di trasferimento, impedenze di ingresso e di uscita, banda, rumore e distorsione.
- Introduzione a MATLAB: ambiente di lavoro, variabili, vettori e matrici, script, funzioni, strutture di controllo e rappresentazioni grafiche 2D e 3D.
- Uso integrato di LTspice e MATLAB: esportazione e importazione dei dati, post-processing nel dominio del tempo e della frequenza, interpolazione, FFT, calcolo di parametri caratteristici e presentazione dei risultati.
Modellazione e progettazione di sistemi elettronici per sensori e attuatori
- Fasi del processo di progettazione: definizione delle specifiche, scomposizione del sistema in blocchi funzionali, scelta del livello di modellazione, dimensionamento dei circuiti, simulazione e verifica.
- Principi di funzionamento e principali caratteristiche di sensori, attuatori e trasduttori.
- Modellazione della trasduzione e, ove rilevante, della propagazione del segnale nel dominio fisico.
- Rappresentazione di sensori e attuatori mediante modelli circuitali equivalenti e loro integrazione nella simulazione del sistema elettronico.
- Analisi dell’interazione tra trasduttore e circuito di interfaccia, con particolare riferimento a impedenza, banda, sensibilità, dinamica e rumore.
- Circuiti per la generazione dei segnali e il pilotaggio degli attuatori.
- Circuiti di polarizzazione, adattamento, amplificazione e filtraggio per il condizionamento dei segnali prodotti dai sensori.
- Criteri per la gestione dell’alimentazione dei circuiti e per il disaccoppiamento delle linee di alimentazione.
- Verifica delle prestazioni rispetto alle specifiche e analisi dell’effetto dei parametri dei componenti.
- Sviluppo guidato di un caso di studio rappresentativo, dalla modellazione del trasduttore alla progettazione e verifica dei circuiti elettronici di interfaccia.
Prototipazione e verifica sperimentale
- Realizzazione di prototipi su breadboard e criteri di collegamento, alimentazione e interfacciamento.
- Uso degli alimentatori da laboratorio e misurazione di tensioni e correnti continue.
- Generazione e acquisizione dei segnali mediante strumentazione di laboratorio.
- Utilizzo dell’oscilloscopio per l’osservazione e la misura dei segnali nel dominio del tempo.
- Analisi dei segnali e confronto tra risultati teorici, simulati e sperimentali mediante MATLAB.
- Individuazione delle principali cause di scostamento tra il comportamento previsto e quello misurato.
Progettazione CAD di circuiti elettronici
- Tecnologia e fabbricazione dei circuiti stampati: materiali, struttura, finiture e principali parametri tecnologici.
- Tecnologie di packaging e assemblaggio dei componenti elettronici: THT, SMT e cenni al wire bonding.
- Flusso di progettazione di un PCB mediante Autodesk Fusion/Eagle: schema elettrico, librerie, simboli, footprint e modelli 3D.
- Definizione delle regole di progetto e dei vincoli meccanici.
- Criteri per il posizionamento dei componenti, la distribuzione delle alimentazioni, la realizzazione dei piani di massa e lo sbroglio delle piste.
- Verifiche ERC e DRC, ispezione del modello 3D ed esportazione dei file necessari alla fabbricazione.
Elementi di progettazione CAD meccanica
- Principi delle tecniche di prototipazione sottrattiva e additiva: lavorazioni CNC e stampa 3D.
- Principali lavorazioni meccaniche e relativi vincoli di progettazione.
- Introduzione ad Autodesk AutoCAD e ai principali strumenti per il disegno 2D e la modellazione 3D.
- Progettazione di semplici componenti meccanici destinati alla prototipazione e all’integrazione con circuiti e sistemi elettronici.
Non è previsto un unico testo di riferimento.
Programma
Strumenti software per la modellazione e l’analisi- Fondamenti della simulazione circuitale e introduzione a SPICE e LTspice.
- Creazione di schemi elettrici, netlist, modelli e sottocircuiti.
- Analisi del punto di lavoro, DC sweep, analisi parametrica, risposta in frequenza, rumore e risposta nel dominio del tempo.
- Valutazione delle prestazioni di circuiti e amplificatori: funzione di trasferimento, impedenze di ingresso e di uscita, banda, rumore e distorsione.
- Introduzione a MATLAB: ambiente di lavoro, variabili, vettori e matrici, script, funzioni, strutture di controllo e rappresentazioni grafiche 2D e 3D.
- Uso integrato di LTspice e MATLAB: esportazione e importazione dei dati, post-processing nel dominio del tempo e della frequenza, interpolazione, FFT, calcolo di parametri caratteristici e presentazione dei risultati.
Modellazione e progettazione di sistemi elettronici per sensori e attuatori
- Fasi del processo di progettazione: definizione delle specifiche, scomposizione del sistema in blocchi funzionali, scelta del livello di modellazione, dimensionamento dei circuiti, simulazione e verifica.
- Principi di funzionamento e principali caratteristiche di sensori, attuatori e trasduttori.
- Modellazione della trasduzione e, ove rilevante, della propagazione del segnale nel dominio fisico.
- Rappresentazione di sensori e attuatori mediante modelli circuitali equivalenti e loro integrazione nella simulazione del sistema elettronico.
- Analisi dell’interazione tra trasduttore e circuito di interfaccia, con particolare riferimento a impedenza, banda, sensibilità, dinamica e rumore.
- Circuiti per la generazione dei segnali e il pilotaggio degli attuatori.
- Circuiti di polarizzazione, adattamento, amplificazione e filtraggio per il condizionamento dei segnali prodotti dai sensori.
- Criteri per la gestione dell’alimentazione dei circuiti e per il disaccoppiamento delle linee di alimentazione.
- Verifica delle prestazioni rispetto alle specifiche e analisi dell’effetto dei parametri dei componenti.
- Sviluppo guidato di un caso di studio rappresentativo, dalla modellazione del trasduttore alla progettazione e verifica dei circuiti elettronici di interfaccia.
Prototipazione e verifica sperimentale
- Realizzazione di prototipi su breadboard e criteri di collegamento, alimentazione e interfacciamento.
- Uso degli alimentatori da laboratorio e misurazione di tensioni e correnti continue.
- Generazione e acquisizione dei segnali mediante strumentazione di laboratorio.
- Utilizzo dell’oscilloscopio per l’osservazione e la misura dei segnali nel dominio del tempo.
- Analisi dei segnali e confronto tra risultati teorici, simulati e sperimentali mediante MATLAB.
- Individuazione delle principali cause di scostamento tra il comportamento previsto e quello misurato.
Progettazione CAD di circuiti elettronici
- Tecnologia e fabbricazione dei circuiti stampati: materiali, struttura, finiture e principali parametri tecnologici.
- Tecnologie di packaging e assemblaggio dei componenti elettronici: THT, SMT e cenni al wire bonding.
- Flusso di progettazione di un PCB mediante Autodesk Fusion/Eagle: schema elettrico, librerie, simboli, footprint e modelli 3D.
- Definizione delle regole di progetto e dei vincoli meccanici.
- Criteri per il posizionamento dei componenti, la distribuzione delle alimentazioni, la realizzazione dei piani di massa e lo sbroglio delle piste.
- Verifiche ERC e DRC, ispezione del modello 3D ed esportazione dei file necessari alla fabbricazione.
Elementi di progettazione CAD meccanica
- Principi delle tecniche di prototipazione sottrattiva e additiva: lavorazioni CNC e stampa 3D.
- Principali lavorazioni meccaniche e relativi vincoli di progettazione.
- Introduzione ad Autodesk AutoCAD e ai principali strumenti per il disegno 2D e la modellazione 3D.
- Progettazione di semplici componenti meccanici destinati alla prototipazione e all’integrazione con circuiti e sistemi elettronici.
Testi Adottati
Il materiale didattico comprende le slide delle lezioni, le tracce delle esercitazioni e il materiale integrativo fornito dal docente e reso disponibile attraverso la piattaforma Moodle del corso. Costituiscono inoltre materiale di consultazione la documentazione ufficiale dei software utilizzati, i manuali della strumentazione e i datasheet dei componenti elettronici esaminati.Non è previsto un unico testo di riferimento.
Bibliografia Di Riferimento
-Modalità Frequenza
Il corso prevede due lezioni o esercitazioni a settimana, ognuna della durata di due ore. La frequenza è fortemente consigliata in considerazione del carattere pratico e interattivo delle attività didattiche e di laboratorio.Modalità Valutazione
L’esame comprende: 1. la valutazione delle esercitazioni svolte durante il corso, sulla base del materiale prodotto e consegnato secondo le modalità indicate dal docente; 2. una prova pratica individuale, assegnata nella fase finale del corso, riguardante la progettazione e l’analisi di un circuito o di un semplice sistema elettronico mediante gli strumenti software e le metodologie affrontati durante le lezioni. La consegna comprende i file di progetto, gli script di calcolo e una relazione tecnica contenente specifiche, metodologia, risultati e relativa discussione; 3. un colloquio orale conclusivo. Il colloquio verte sull’intero programma del corso e non soltanto sulla prova pratica; è volto a verificare la comprensione dei principi teorici, la padronanza delle metodologie di progettazione e verifica, la capacità di motivare le scelte effettuate e di interpretare criticamente risultati di simulazione e sperimentali. La valutazione finale tiene conto congiuntamente della correttezza e completezza delle esercitazioni e della prova pratica, dell’autonomia dimostrata, della qualità della documentazione prodotta e dell’esito del colloquio orale.