01 sistemi e segnali elettronici - v1
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introduzioneTRANSCRIPT
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 2 / 49
Approccio sistemistico analisi/progetto top-
downUn sistema elettronico complesso può esseresuddiviso in sotto sistemi più semplici
Decomposizione funzionale dei moduli costituentiun sistema elettronico e loro interconnessioni
Struttura interna di alcuni moduli, e dei
componenti elettronici che li realizzano• Principali dispositivi a semiconduttore e loro
funzionamento
• Cenni alle tecnologie della microelettronica
Contenuti
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 3 / 49
Sistemi elettronici e moduli
Un sistema elettronico è fatto di moduliinterconnessi
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 4 / 49
?
??
Perché iniziamo dai sistemi ?
La maggior parte dei progettisti utilizza modulie componenti costruiti da altri
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 5 / 49
Perché iniziamo dai sistemi ?
Per usare un modulo occorre conoscere ilcomportamento esterno, non la strutturainterna
cosa fa il modulo ?
• FUNZIONE
quanta e quale energia richiede ?
• ALIMENTAZIONE
come parla con gli altri moduli ?
• SEGNALI
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 6 / 49
Cosa sono i “segnali” ?
Nei sistemi elettronici le variabili di interessesono delle grandezze elettriche
tensioni
correnti
L’informazione è contenuta nelle loro variazioni
segnali
le variazioni possono essere associate a ampiezza,
frequenza…
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Progetto ingegneristico
Servono metodi per analizzare, descrivere,capire oggetti complessi
L’ingegnere decompone un problema complesso inuna serie di problemi più semplici, collegati,
risolvibili, e ne ricompone le soluzioniDeve saper applicare tecniche per decomporre e
descrivere funzioni e strutture
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Sistema campione
Sistema di riferimento per queste lezioni:
telefono cellulare
• parte del sistema servizi/rete/terminali utente
• sistema complesso (~108 transistori)
• campionario di diversi aspetti dell’elettronica • utilizza tecnologie moderne
Varie fasi•
definizione funzionale• decomposizione della struttura
• analisi di alcuni moduli
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Da specifica funzionale a struttura
Trasduttore
comandi
(tastiera)
Trasduttore
ingr. voce(microfono)
Trasduttore
uscita voce
(auricolare)
Trasduttore
info visive
(display)
Trasduttorecampo elm
(antenna)
Alimentazione
(caricabatteria)
Moduli funzionaliper esecuzione
e controllo
UTENTE
CAMPO
ELETTROMAGNETICO
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Struttura dettagliata
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MICROP.DSP,
MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITOREDEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI
ANTENNA
OSCILLATORI
RX E TX
CONTROLLOPOTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
ALIMENTAZIONE
Schema a blocchi comprensibile
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DEVIATORE DI
ANTENNA
HARMONIC
FILTER
GSM
DCS
PCS
ANTENNASWITCH
Tx EN
GSM EN
DCS EN
PCS EN
RC
Filter
ANTENNA
TX (PA)
RX
Blocco 1: deviatore di antenna
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Descrizione
FUNZIONALE
Gruppo di moduli
correlati a unaspecifica funzione:
commutare
l’antenna tra
trasmettitori ericevitori
HARMONIC
FILTER
GSM
DCS
PCS
ANTENNASWITCH
Tx EN
GSM EN
DCS EN
PCS EN
RC
Filter
ANTENNA
TX (PA)
RX
Deviatore di antenna: funzione
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Schema elettrico del
deviatore
Elementi visibili a questo
livello:
- componenti elementari
(R , C , transistori FET)
- topologia delle
interconnessioni
ANTENNA
SWITCH
V3
Rx3 Rx2
V2
Tx Rx1
V1
Ant
Deviatore di antenna: schema
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Aspetto fisico del deviatore; elementi visibili:
- contenitore- piedini di collegamento
Funzione e struttura interna sono “nascoste”
ANTENNA
SWITCH
V3
Rx3 Rx2
V2
Tx Rx1
V1
Ant
Deviatore di antenna: struttura
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Perché iniziamo dai sistemi ?
Per usare un modulo occorre conoscere ilcomportamento esterno, non la strutturainterna
cosa fa il modulo ?
• FUNZIONE
quanta e quale energia richiede ?
• ALIMENTAZIONE
come parla con gli altri moduli ?
• SEGNALI
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I segnali trasportano informazione
Le alimentazioni forniscono energia
L’energia richiesta per il funzionamento vienedistribuita come tensione continua (V al)
V al
GND
INFO
ININFO
OUT
Da dove arriva l’energia ?
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Sottosistema di alimentazione
Obiettivi
ridurre la produzione di calore
massima durata e rapida ricarica delle batterie
minimo inquinamento (batterie)
massimo rendimento
Moduli
alimentatore da rete, regolatori, caricabatterie
batteriacircuiti per distribuzione e gestione della potenza
È un sottosistema complesso !
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Perché iniziamo dai sistemi ?
• Per usare un modulo occorre conoscere ilcomportamento esterno, non la strutturainterna
– cosa fa il modulo ?
• FUNZIONE
– quanta e quale energia richiede ?
• ALIMENTAZIONE
– come parla con gli altri moduli ?
• SEGNALI
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MICROP.
DSP,
MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITORE
DEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI
ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI
RX E TX
CONTROLLOPOTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Diversi tipi di segnale
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Diversi tipi di segnale
MICROP.
DSP,
MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITORE
DEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI
ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI
RX E TX
CONTROLLOPOTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Segnale a radiofrequenza 800
MHz, 1,8 GHz modulazione FMo PM
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Diversi tipi di segnale
MICROP.
DSP,MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITORE
DEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI
ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI
RX E TX
CONTROLLOPOTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Segnali audio a bassa
frequenza 300 Hz-3
kHz
Segnale a radiofrequenza 800
MHz, 1,8 GHz modulazione FMo PM
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 23 / 49
Diversi tipi di segnale
MICROP.
DSP,MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITORE
DEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI
ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI
RX E TX
CONTROLLOPOTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Segnali audio a bassa
frequenza 300 Hz-3
kHz
Segnale a radiofrequenza 800
MHz, 1,8 GHz modulazione FMo PM
Segnali digitali
1 bit/N bit
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 24 / 49
Diversi tipi di segnale
MICROP.
DSP,MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITORE
DEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI
ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI
RX E TX
CONTROLLOPOTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Alimentazione: tensioni
continue stabilizzate,per tutti i moduli
Segnali audio a bassa
frequenza 300 Hz-3
kHz
Segnale a radiofrequenza 800
MHz, 1,8 GHz modulazione FMo PM
Segnali digitali
1 bit/N bit
l d
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Segnali audio
Nei circuiti associati a microfono e auricolaresono presenti segnali audio Esempio: segnale sinusoidale (tono):
v (t ) = V sin (wt + f)
V = valore di picco (volt, simbolo V)
w = pulsazione (radianti/secondo),(frequenza f = w/2p, in hertz, simbolo Hz)
f = fase (radianti, simbolo rad)
l l
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Segnali analogici
Tono audio (sinusoide)
Singola frequenza
Onda triangolare
PeriodicaPiù componenti in f
Voce
Varie componentitra 300 Hz e 3 kHz
Banda limitata tempo frequenza
li di f ( )
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 27 / 49
MICROP.DSP,
MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITOREDEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI
ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORIRX E TX
CONTROLLOPOTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Segnale a radiofrequenza 800MHz, 1,8 GHz modulazione FM
o PM
Segnali a radiofrequenza (RF)
S li di f
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 28 / 49
Segnali a radiofrequenzaNei circuiti in prossimità dell’antenna sono
presenti segnali a frequenza elevata (800 MHz - 1,8 GHz circa)
Richiedono amplificatori e interconnessioni particolari
Esempio: caso sinusoidalesegnale non modulato a 800 MHz
ampiezza
tempo
1 ns (2 ms per segnale audio)
R i l
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 29 / 49
Rappresentazione nel tempo
Un segnale può essere visualizzato in funzione del tempo:
asse X: tempo
asse Y:
ampiezza
Strumento:
oscilloscopio
t = 0
R i i f
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 30 / 49
Rappresentazione in frequenza
Un segnale può essere visualizzato anche indicando lesue componenti in funzione della frequenza:
asse X: frequenza
asse Y:
ampiezza
Strumento:
analizzatore di spettro
f = 0
fondamentale
II armonicaIII armonica
Rumore di base
L t f
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Legame tempo - frequenza
Variazioni rapide del segnale corrispondono acomponenti a frequenza elevata
tempo frequenzaf = 0
banda
S li l i i
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Segnali analogici
Il segnale analogico è continuo
nel tempo: è definito per qualsiasi istante di tempoentro un certo intervallo
in ampiezza: può assumere qualsiasi valore entro
un certo intervalloParametri:
intervallo di ampiezza
• valore max e min (dinamica),
• eventuale DC
contenuto spettrale
• banda, forma dello spettrot
AS
0
0
S li l i i d ?
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MICROP.
DSP,
MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITORE
DEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI
ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI
RX E TX
CONTROLLOPOTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Segnali analogici
(RF, IF, AF)
Segnali analogici: dove ?
S li di it li li
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Segnali digitali reali
Il segnale digitale è una sequenza di numeri,
generalmente in base 2discreto nel tempo:
definito solo per alcuniistanti di tempo entroun certo intervallo
discreto in ampiezza:può assumere solo
alcuni valori entro uncerto intervallo
t1
t2
t3
t4
t5
S li di it li d ?
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MICROP.
DSP,
MEM
TRASDUTTORI: AP, MK,
TASTIERA, DISPLAY
RICEVITORE
DEMODULATORE
CATENA RX
CATENA TX
DEVIATORE DI
ANTENNA
ALIMENTAZIONE
OSCILLATORI
RX E TX
CONTROLLOPOTENZA
MODULATORE
A/D
D/A
Segnali digitali
1 bit/N bit
Segnali digitali: dove ?
E i t i di it l
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Campionamento: valori definiti solo a tempi discreti
intervallo tra campioni T s, cadenza dei campioni f s = 1/ T s
sono rappresentabili segnali con banda f a limitata a f s/2(criterio di Nyquist)
• esempio: f s = 20 kHz, f a = 10 kHz
Quantizzazione: numero finito di valorirappresentabili
N bit : 2N
valori, quindiErrore di quantizzazione eQ = 100/2N % = 106/2N PPM
• esempio: 28 = 256 eQ = 0,4 %
Errori con rappresentazione digitale
S li bi i l t
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L’evoluzione nel tempo di un segnale binario
è rappresentata da una sequenza di bit:due livelli 1/0, o H/L (1 bit) (discreto in ampiezza)
definito a intervalli T s (discreto nel tempo)
Segnali binari nel tempo
T s
valore
H
L
tempo
1 0 1 1 0
Diagrammi temporali
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La rappresentazione discreta (punti) diventa un
diagramma temporale, analogo a quelloutilizzato per i segnali analogici
Diagrammi temporali
T s
valore
H
L
tempo
1 0 1 1 0
Rappresentazione degli stati logici
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Rappresentazione degli stati logici
Gli stati logici (H/L, 0/1, …) sono rappresentati
con tensioni (V), con una regola ben definita:• stato alto, H, 1, ... 3 V
• stato basso, L, 0, ... 0,5 V
3 V
H L
t
H H L
0,5 V
1 0 1 1 0
Rumore e disturbi
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Rumore e disturbi
A ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore
il rumore
NON trasporta
informazione utile
Degradazione del segnale analogico
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Degradazione del segnale analogico
Ogni passo di amplificazione o elaborazione
aggiunge rumore
Per il segnale analogico il rumore determina undegrado non recuperabile dell’informazione
Degradazione del segnale digitale
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Degradazione del segnale digitale
Per il segnale digitale il degrado del segnale
digitale dovuto al rumore è recuperabile (secontenuto entro certi limiti)
Ripristino del segnale digitale
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Ripristino del segnale digitale
Grazie alla
discretizzazione in
ampiezza del
segnale digitale, è
possibile ricostruire
il valore originario confrontando il
segnale con una
soglia.
Verso il mondo esterno
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I segnali fisici (trasduttori e attuatori) sono
prevalentemente analogici
L’interfaccia tra elettronica e mondo esternodeve essere di tipo analogico
Verso il mondo esterno
SISTEMA
ELETTRONICO
SEGNALI ANALOGICI
Sequenza A/D/A
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Sequenza A/D/A
L’elettronica è prevalentemente digitale
occorre convertire i segnali da analogici a numerici,e viceversa:
• conversione ANALOGICO/DIGITALE (A/D)
• conversione DIGITALE/ANALOGICO (D/A)
SISTEMA ELETTRONICO
SISTEMA
NUMERICO
A/D D/A
SEGNALI ANALOGICI
Analogico digitale analogico
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Analogico - digitale - analogicoLa maggior parte dei sistemi elettronicicomprende:
interfacce verso il mondo esterno (front-end) analogico
conversione A/D
trattamento del segnale numerico
conversione D/A
interfacce verso il mondo esterno (back-end) analogico
A/D
Sistema
numerico D/A Attuatori e
back-end
analogico
Sensori e
front-endanalogico
Dove vanno i sistemi elettronici ?
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 47 / 49
Dove vanno i sistemi elettronici ?
I sistemi elettronici tendono a migrare verso il
digitale
A/D
Sistema
numerico
D/A Attua
Sens
A/D
Sistemanumerico D/A
Attuatori eback-end
analogico
Sensori e
front-end
analogico
tempo
Perché la migrazione verso il digitale?
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Sistemi e Tecnologie Elettroniche (STE) Sistemi e segnali elettronici 48 / 49
Perché la migrazione verso il digitale?Solo con le tecniche digitali sono possibili
elaborazioni complesseNon cumula il rumore, errori deterministici
Si possono realizzare circuiti integrati digitali dicomplessità più alta rispetto a quelli analogici
Sono disponibili strumenti automatici peril progetto e la realizzazione di moduli digitali
I circuiti integrati digitali hanno costi più bassi
Il comportamento dei circuiti digitali èfacilmente modificabile
SW o altra programmazione
Limiti del digitale
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Limiti del digitalePresenza intrinseca di errori dovuti a
quantizzazione delle ampiezze(legati al numero di bit N),
campionamento (legati alla densità nel tempo dei campioni).
Le variabili digitali sono rappresentate da segnalianalogici (V, I, …)
segnali digitali ad alta velocità vanno trattati come
analogici
Alcuni tipi di segnale possono essere soloanalogici (RF…)