Scheda programma d'esame
PHYSICS LABORATORY 3
CHIARA MARIA ANGELA RODA
Academic year2020/21
CoursePHYSICS
Code034BB
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
LABORATORIO 3FIS/01LABORATORI180
GIORGIO CARELLI unimap
CARLO FERRARI unimap
FRANCESCO FORTI unimap
PAOLO MARSILI unimap
DONATO NICOLO' unimap
MARCO PIENDIBENE unimap
CHIARA MARIA ANGELA RODA unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Durante il corso lo studente potrà:

  • Acquisire le conoscenze di base sulle basi fisiche dei dispositivi elettronici a semiconduttore e le capacità pratiche di base per progettare, montare ed analizzare semplici circuiti elettronici analogici e digitali.
  • Acquisire il senso critico e la capacità di fare il debug di un apparato sperimentale.
  • Approfondire le difficoltà sperimentali legati alla misura in circuiti elettronici e in esperienze di fisica fondamentale. 
  • Imparare a scrivere una relazione scientifica sintetica e comprensibile.
Knowledge

The student who successfully complete the course will acquire the following abilities:

  • perform electrical measurement in electric and electronics circuits
  • design and construct simple analog and digital electronics circuits
  • perform and analyze simple physics experiments in optics and quantum mechanics
  • analyze critically the experimental issues related to physics experiments

 

Modalità di verifica delle conoscenze

Per la verifica delle conoscenze acquisite verrà utilizzato:

  • Le relazioni sulle attività di laboratorio svolte in gruppo durante l'anno
  • Un elaborato scritto relativo alla prova pratica individuale svolta alla fine dell'anno
  • Un colloquio sugli argomenti del corso. 
Assessment criteria of knowledge

The student knowledge will be assessed on the following criteria:

  • Lab reports of the group activities submitted throughout the year
  • Report on an individual laboratory experience performed at the end of year
  • An oral exam on the course topics

 

Capacità

Al termine del corso lo studente avrà:

  • le capacità pratiche di base per progettare, montare ed analizzare semplici circuiti elettronici analogici e digitali.
  • il senso critico e la capacità per eseguire misure in circuiti elettronici e in esperienze di fisica fondamentale e di fare il debug di un apparato sperimentale.
  • la capacità di scrivere una relazione scientifica sintetica e comprensibile.
Skills

During the course the student will acquire:

  • the practical skills to design, assemble and analyze simple analog and digital electronic circuits
  • the critical sense and capability of performing measurements in electronic circuits and fundamental physics experiments, and of debugging an experimental apparatus
  • the ability to write a terse and comprehensible scientific report
Modalità di verifica delle capacità

Per la verifica delle capacità acquisite verrà utilizzato:

  • Le attività pratiche di laboratorio svolte in gruppo durante l'anno
  • Una prova pratica individuale svolta alla fine dell'anno
  • Un colloquio sugli argomenti del corso. 
Assessment criteria of skills

The student skills will be assessed on the following criteria:

  • Group laboratory activities throughout the year
  • Individual laboratory experioence performed at the end of year
  • An oral exam on the course topics
Comportamenti

Durante il corso:

  • Saranno acquisite accuratezza e precisione nello svolgere attività di raccolta e analisi di dati sperimentali
  • Lo studente imparerà a lavorare in gruppo, anche cambiando la composizione a metà anno
  • Lo studente imparerà a gestire efficacemente il tempo per la raccolta dei dati sperimentali.
Behaviors

During the course:

  • Students will acquire accuracy and precision when collecting and analysing experimental data
  • Students will learn to work in a team, also changing the composition during the course
  • Students will learn to manage effectively the time needed to collect experimental data
Modalità di verifica dei comportamenti

I comportamenti saranno verificati con le segeunti modalità:

  • Durante le sessioni di laboratorio saranno valutati il grado di accuratezza e precisione dei dati raccolti. 
  • Durante le esperienze viene verificata l'effettiva distribuzione del lavoro tra i componenti del gruppo
  • La tempistica dell'attivita' di laboratorio è definita rigidamente, forzando lo studente ad ottimizzare la gestione tempo.
Assessment criteria of behaviors

Behaviors will be assessed using the following criteria:

  • During the lab sessions the level of accuracy and precision in the collection of experimental data will be evaluated.
  • During the sessions the actual work sharing among the group components is verified.
  • Timing for the lab activities is rigidly defined, forcing students to optimized their time management. 
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenze di base di meccanica ed elettromagnetismo. Circuiti elettrici. Uso della strumentazione elettronica di base (multimetro ed oscilloscopio). Competenze di calcolo differenziale e algebra lineare.

Prerequisites

Basic knowledge of mechanics and electromagnetism. Electrical circuit. Usage of basic electronics instrumentation (multimeter and oscilloscope). Calculus and linear algebra competency.

Indicazioni metodologiche

Il corso si svolge con le seguenti metodologie:

  • lezioni frontali in aula con con occasionale ausilio di slides
  • esercitazioni in laboratori dedicati equipaggiati con strumentazione elettronica e PC. Le esercitazioni si svolgono in gruppi di 2-3 studenti.
  • durante le esercitazioni sono presenti codocenti e personale tecnico per supportare le attivita' degli studenti. 
  • elearning: il corso e' supportato da un sito web ed da un gruppo di discussione. Il materiale presentato a lezione e' scaricabile dal sito del corso. Il sito serve anche alla formazione dei gruppi e per il calendario delle attivita'.
  • ogni settimana ogni gruppo deve consegnare una relazione che viene corretta e resttituita di norma la settimana successiva e va a formare la valutazione del corso
  • l'interazione con il docente fuori dalle ore di lezione avviene attraverso email oppure ricevimenti su appuntamento.
Teaching methods

Delivery: face to face

Learning activities:

  • attending lectures
  • preparation of oral/written report
  • participation in discussions
  • individual study
  • group work
  • Laboratory work
  • Practical

Attendance: Mandatory

Teaching methods:

  • Lectures
  • laboratory

 

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Argomenti svolti in aula

Introduzione metodologica. Significato della misura in fisica. Metodo di preparazione delle relazioni. Software di analisi e visualizzazione dei dati sperimentali.

Circuiti lineari: richiami di teoria dei circuiti. Leggi di Ohm, Kirchoff. Modello di Thevenin.Risposta di un circuito a segnali sinusoidali o impulsivi. Uso  delle trasformate di Fourier e Laplace. Induttanze e capacità. Componenti ideali e reali. Resistenza serie e parallela. Resistenza di ingresso e uscita. Metodo di soluzione dei circuiti e software di simulazione. 

Dispositivi a semiconduttore: il diodo. Cenni alla teoria dei semiconduttori. Drogaggio. Giunzioni p-n. Corrente nei semiconduttori. Diodo a giunzione. Struttura e caratteristiche di un diodo. Corrente, svuotamento, capacità. Diodi Zener. Il diodo come elemento circuitale. Circuiti limitatori e rettificatori. Filtri capacitivi. Rivelatori di picco. Duplicatore di tensione.

Dispositivi per amplificazione: transistor. Transistor a giunzione bipolare (BJT). Caratteristiche del transistor. Zona attiva, di saturazione edi interdizione. Implementazione di circuiti logici. Logica TTL.  Modello a parametri h del transistor. Amplificatori a transistor con configurazione di collettore o emettitore comune. Transistors a giunzione ad effetto di campo (JFET) e sue caratteristiche. Transistor MOSFET di tipo p e di tipo n. Circuiti CMOS. Amplificatori differenziali.

Circuiti con reazione (feedback). Circuiti con feedback positivo o negativo. Feedback di tensione e di corrente. Uso del feedback negativo per migliorare le prestazioni degli amplificatori. Feedback positivo.

Amplificatori operazionali (OpAmp). Il feedback negli OpAmp. Principio della massa virtuale. Circuiti che effettuano operazioni matematiche: sommatore, derivatore, integratore. Impedenza di ingresso e uscita nei circuiti con OpAmp. Teorema di Miller. Filtri attivi. Usi non lineari degli OpAmp. Rivelatori di picco. Sistemi di Sample-And-Hold. Oscillatori. Trigger di Schmitt.

Cenni al rumore nei circuiti elettronici. 

Circuiti digitali. Base binaria, ottale,  esadecimale, decimale e conversione tra le varie basi. Rappresentazioni dei numeri binari: modulo e segno, complemento a uno e a due, codice Gray e BCD. Porte logiche a 1 e 2 ingressi. Caratteristiche fisiche dei circuiti logici: livelli logici di tensione,  fan-out, ritardi. Implementazione di NAND con elementi discreti in logica TTL. Definizione di reti logiche combinatorie e sequenziali, tabella delle verità. 

Logica combinatoria. Forme standard di funzioni logiche: somma di prodotti e prodotti di somme. Algebra di Boole e leggi di De Morgan. NOR e NAND come porte logiche universali. Mappe di Karnaugh ed esempi di applicazioni: comparatore di numeri binari e sommatore. Implementazione di circuiti per controllo del display a sette segmenti, half adder e full adder. 

Logica sequenziale. Elementi logici sequenziali di base. Flip-flop (FF). FF Set-reset sincrono e asincrono con porte NOR e NAND. Latch di tipo D e JK. Circuito di master-slave. Ingressi sincroni e asincroni. Applicazioni dei FF: contatori asincroni e sincroni, registri a scorrimento, moltiplicatore e divisore, generatore di numeri pseudocasuali, registro ad anello, contatore decadico. Temporizzazione con FF. 

Progettazione di circuiti in logica sequenziale. Macchina a stati finiti. (FSM). Applicazione della FSM: controllo/calcolo della parità, registro a scorrimento come FSM, macchina distributrice.

Circuiti integrati logici complessi. Multiplexer, demultiplexer,  ROM, PAL, PLA, FPGA. Metodologie per l'implementazione di un circuito combinatorio: parti standard, look-up tables, template based logic.

MicroControllori. Struttura e funzionamento, porte tri-state, bus, architettura Harvward e Von Neumann, memorie, ALU, esecuzioni di una istruzione, porte in-out. Concetto e gestione di interrupt. Il sistema di sviluppo di Arduino con microcontrollore ATMEGA 328 

Circuiti per la conversione digitale/analogica e analogica/digitale (DAC e ADC): a contatore, ad approssimazioni successive, a singola e doppia rampa.

Esercitazioni

Il corso include circa 15 esercitazioni di laboratorio di elettronica:

  • E01 - Uso della strumentazione: misure di tensione, corrente, tempo, frequenza
  • E02 - Circuito RC passabasso e passabanda
  • E03 - Caratteristiche del transistor. Circuito NOT
  • Software per simulazioni circuitali: LTSPICE
  • E04 - Amplificatori con BJT - Common emitter
  • E05 - Amplificatori con JFET - Source follower
  • E06 - OpAmp usi lineari: amplificatore, integratore, derivatore
  • E07 - Opamp usi non lineari: amplificatore di carica con TOT
  • E08 - OpAmp in oscillatore a ponte di Wien
  • E10 - Caratteristiche porte logiche
  • E11 - Circuiti logici e multivibratori
  • E12 - Flip-flop e contatori
  • E13 - FSM e semaforo
  • E14 - Lockin
  • E15 - Boltzmann

ed alcune esperienze di fisica fondamentale tra le seguenti:

  1. Misura del rapporto e/m
  2. Esperienza di Franck-hertz
  3. Misura dell’effetto fotoelettrico
  4. Righe di Balmer - costante di Rydberg
  5. Misure di lunghezza d'onda, interferometro di Michelson
Syllabus

Measurement errors and data analysis in physics experiments. Analog electronics with passive components, transistors, operational circuits. Feedback circuits, stability and oscillation. Noise in analog circuits. Digital electronics basic elements. Combinational and sequential digital circuits. Finite state machines. Realization, data taking, and analysis of some basic modern physics experiments: optics, e/m measurement, photoelectric effect.

 

Bibliografia e materiale didattico

Testi consigliati

Elettronica: 

  • J. Millman, "Sistemi e circuiti microelettronici", Bollati-Boringhieri
  • P.Horowitz, W.Hill: “The art of electronics”, II ed. (Cambridge University Press)
  • V. Flaminio et al., "Introduzione all'elettronica: parte I e parte II ", Edizioni ETS (pdf Vol1pdf Vol2)
  • R. Katz, G. Borriello, "Contemporary Logic Design", 2nd edition, Pearson Prentice Hall 

Statistica e probabilità:

Bibliography

Textbooks: 

Elettronics: 

  • J. Millman, "Sistemi e circuiti microelettronici", Bollati-Boringhieri
  • P.Horowitz, W.Hill: “The art of electronics”, II ed. (Cambridge University Press)
  • V. Flaminio et al., "Introduzione all'elettronica: parte I e parte II ", Edizioni ETS (pdf Vol1pdf Vol2)
  • R. Katz, G. Borriello, "Contemporary Logic Design", 2nd edition, Pearson Prentice Hall 

Statistics and probability:

Indicazioni per non frequentanti

La frequenza al corso e' obbligatoria

Non-attending students info

Attendance is mandatory

Modalità d'esame

L'esame finale consiste in una prova pratica di laboratorio ed un colloquio.

La valutazione finale prenderà in considerazione:

  • Le relazioni sulle attività di laboratorio svolte in gruppo durante l'anno
  • L'elaborato scritto relativo alla prova pratica individuale
  • Il risultato del colloquio sugli argomenti del corso. 
Assessment methods

The final exam consists in a laboratory test and an oral examination.

The final assessment will include:

  • The lab reports of the group activities submitted throughout the year
  • The report on the individual laboratory test
  • The result of the oral exam on the course topics

 

Note

Poichè il numero di postazioni è limitato, l'iscrizione al corso deve avvenire con largo anticipo, tipicamente tra metà luglio e metà settembre, attraverso una pagina dedicata sul sito del dipartimento di fisica, in modo da poter organizzare la frequenza. 

Notes

Since the number of positions is limited, students must enroll in the course well in advance, typically between mid-July to mid-September, using a dedicate page on the physics department web site, to allow a better organization of the course. 

Updated: 11/09/2020 17:20