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ANDREA PADOVANI
Ricercatore t.d. art. 24 c. 3 lett. B
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Sistemi Elettronici Industriali
Ingegneria gestionale (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
Il corso intende fornire le conoscenze di base sulle leggi che regolano l'analisi di circuiti analogici e digitali basati su dispositivi a semiconduttore, circuiti a diodi, circuiti amplificatori basati su amplificatori operazionali, sistemi digitali cablati e programmabili via software.
Per maggiori dettagli si rimanda alla sezione sui risultati di apprendimento attesi
Prerequisiti
Elettromagnetismo. Circuiti elettrici lineari. Sistemi di numerazione posizionale.
Programma del corso
Parte 1: Componenti a Semiconduttore (circa 1CFU - 11hr)
- Proprietà elettriche dei materiali: Materiali isolanti, materiali conduttori, materiali semiconduttori;
- Semiconduttori intrinseci; semiconduttori estrinseci, semiconduttori estrinseci di tipo N, semiconduttori estrinseci di tipo P;
- Portatori di maggioranza e minoranza;
- Dispositivi a semiconduttore: giunzione PN, MOSFET a canale N, MOSFET a canale P, sensori di immagine, LED, laser;
- Diodi e circuiti a diodi
Parte 2: Amplificatori (2CFU - 18hr)
- Amplificatori: introduzione generale, modello di amplificatore ideale, principali parametri dell'amplificatore, amplificatori basati su MOSFET, amplificatori differenziali;
- Amplificatori operazionali (operazionale): introduzione generale e concetti di base, caratteristiche (parametri), amplificatore operazionale, amplificatore ad anello aperto, amplificatore ad anello chiuso, amplificatore operazionale ideale, amplificatore operazionale reale;
- Applicazioni lineari di base dell'amplificatore operazionale: amplificatore invertente, amplificatore non invertente, amplificatore sommatore, amplificatore differenziale, amplificatore integratore, amplificatore differenziatore;
- Applicazioni base non lineari dell'amplificatore operazionale: comparatore, monostabile, multivibratore;
- Applicazioni con amplificatori operazionali (introduzione): amplificatore per il condizionamento del segnale; misure di deformazione, forza, pressione e flusso; circuiti di condizionamento del segnale a ponte; amplificatore per strumentazione; amplificatore stabilizzato chopper;
Parte 3: Elettronica Digitale e Microcontrollori (circa 6CFU - 52hr)
- Fondamenti di elettronica digitale: introduzione, analogico vs digitale, cenni generali su un sistema digitale, algebra booleana, funzioni logiche, tabelle di verità;
- Componenti logici a bassa scala di integrazione: porte elementari, logica combinatoria, logica sequenziale;
- Componenti logici a media scala di integrazione: mux, decoder, encoder prioritario, half adder, full adder, alu, buffer a tre stati, SR bistabile, D Latch, D FlipFlop;
- Reti logiche sequenziali e macchine a stati finiti: logica sequenziale asincrona vs logica sequenziale sincrona, automi a stati finiti di moore e di mealy, diagramma degli stati;
- Logica programmabile a software: architettura generale dei microcontrollori, CPU (unità di controllo, percorso dati), memoria, logica I/O, Instruction Set, modalità di indirizzamento;
Metodi didattici
L'insegnamento del corso consiste in lezioni frontali in lingua Italiana.
Durante il corso verranno utilizzate sia tecniche analitiche che software specifici quali simulatori di circuiti analogici e digitali a scopo didattico per meglio comprendere i concetti introdotti.
La frequenza non è obbligatoria, ma è consigliata.
Testi di riferimento
Oltre alle dispense del corso sono suggeriti i seguenti libri di testo:
- Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock - Microelettronica - ISBN: 9788838694622 (Parte 1, 2)
- Francesco Centurelli, Aldo Ferrari – Fondamenti di Elettronica – Ed. Zanichelli, ISBN: 9788808621306 (Parte 1*, 2, 3)
- Neil Storey – Fondamenti di Elettronica – Ed. Pearson, ISBN: 9788871926087 (Parte 1, 2)
- David Money Harris, Sarah L. Harris - Sistemi digitali e architettura dei calcolatori - ISBN: 9788808920737 (Parte 3)
I testi consigliati verranno discussi brevemente durante l'introduzione del corso (prima lezione).
Le dispense del corso saranno disponibili sulla pagina Teams del corso.
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* non viene trattata la parte di semiconduttori
Verifica dell'apprendimento
Non sono previste prove intermedie.
La verifica dell'apprendimento si basa su una prova orale individuale volta a verificare il raggiungimento da parte dello studente degli obiettivi di apprendimento. Durante la prova orale vengono poste allo studente 4 domande su argomenti teorici o relativi alla soluzione di esercizi. Le domande sono così distribuite: Q1) Proprietà elettriche dei materiali e dei dispositivi a semiconduttore. Q2) Amplificatori e amplificatori operazionali. Q3) Amplificatori e amplificatori operazionali/Logica digitale e Microcontrollori. Q4) Logica digitale e Microcontrollori. La durata tipica della prova orale è di 30 minuti. Ogni domanda riceverà un punteggio da 0 a 8 punti. Complessivamente la prova orale riceverà poi una valutazione da 0 a 32 punti. Per i voti con punteggio superiore a 30 si terrà conto dell'attribuzione della lode. I risultati verranno comunicati alla fine della prova orale e verbalizzati entro una settimana.
Risultati attesi
Il corso intende fornire le conoscenze di base sulle leggi che regolano l'analisi di circuiti analogici e digitali basati su dispositivi a semiconduttore, circuiti a diodi, circuiti amplificatori basati su amplificatori operazionali, sistemi digitali cablati e programmabili via software. Con riferimento ai descrittori di Dublino, i risultati di apprendimento attesi dal corso possono essere riassunti come segue:
Conoscenza e comprensione: comprendere e applicare i concetti di base relativi ai circuiti analogici e digitali; comprendere le specifiche di un sistema elettronico; comprendere e analizzare i principali componenti hardware utilizzati in un sistema elettronico reale; comprendere il funzionamento di un vero sistema elettronico.
Applicare conoscenza e comprensione: analizzare, valutare e definire le specifiche funzionali di un sistema elettronico mediante tecniche analitiche e metodologie progettuali appropriate; avere la capacità di orientare e identificare l'architettura e gli elementi fondamentali di un sistema elettronico a partire dalle specifiche di progetto.
Autonomia di giudizio: analizzare e comprendere i principali elementi chiave delle alternative progettuali anche in caso di specifiche progettuali incomplete. Organizzare le fasi di sviluppo di un progetto coerentemente con le valutazioni effettuate.
Abilità comunicative: comunicare in modo chiaro le conoscenze e le capacità di comprensione acquisite. Utilizzare in modo corretto e appropriato il linguaggio, i concetti e i modelli acquisiti per presentare efficacemente le soluzioni relative a tutti gli aspetti di un progetto di sistema elettronico a un pubblico specializzato e non. Saper lavorare in team.
Capacità di apprendimento: applicare una metodologia di apprendimento efficace (adatta allo studio individuale e allo studio di gruppo) che permetta di individuare le risorse umane e progettuali necessarie per affrontare e risolvere i problemi. Capacità di autoaggiornamento in merito a conoscenze e comprensioni relative ad aspetti specifici di un progetto o in risposta a cambiamenti legati all'evoluzione tecnologica.