CdSFISICA
Codice347BB
CFU6
PeriodoAnnuale
LinguaItaliano
Il corso di Laboratorio 3 Avanzato si innesta sul corso di Laboratorio 3 base e approfondisce ogni argomento presentato durante il corso base per fornire una conoscenza piu` matura dei vari argomenti. L'approfondimento avviene prevalentamente in forma di lavoro laboratoriale. Oltre agli approfondimenti si discutono alcuni argomenti di elettronica analogica e digitale avanzata.
The Advanced Laboratory 3 course builds upon the Basic Laboratory 3 course and delves deeper into each topic presented during the basic course to provide a more mature understanding of the various subjects. The in-depth study primarily takes the form of hands-on lab work. In addition to these in-depth studies, advanced topics in analog and digital electronics are also discussed.
Stessa modalita` utilizzata nel corso base. Per la verifica delle conoscenze acquisite verrà utilizzato:
- Le relazioni sulle attività di laboratorio svolte in gruppo durante l'anno
- Una prova pratica individuale con relativo elaborato scritto
- Un prova orale sugli argomenti del corso.
Same criteria as for the base course. 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
Le capacita` sviluppate sono quelle fornite anche nel corso base. 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 presentare le proprie misure con senso critico;
- la capacità di iscrivere una relazione scientifica sintetica e comprensibile.
The developed skills are those also provided in the basic course.
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
Stessa modalita` utilizzata nel corso base. 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.
Same criteria as for the base course. 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
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 e da solo in un laboratrio sperimentale
- Lo studente imparerà a gestire efficacemente il tempo per la raccolta dei dati sperimentali
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
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
- Durante le esperienze individuali sara` verificata la capacita` di eseguire tutte le fasi della misura e della presentazione dei risultati
- La tempistica dell'attivita' di laboratorio è definita rigidamente, forzando lo studente ad ottimizzare la gestione tempo.
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.
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. Tutte le conoscenze acquisite nel corso base.
Basic knowledge of mechanics and electromagnetism. Electrical circuit. Usage of basic electronics instrumentation (multimeter and oscilloscope). Calculus and linear algebra competency.
All topics discussed in the base course.
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.
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
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
Tutte le esercitazioni che vengono svolte nel corso base per il corso avanzato sono approfondite con misure piu` complesse. Inoltre nel corso avanzato vengono svolte alcune tra le seguenti esercitazioni aggiuntive:
- Software per simulazioni circuitali: LTSPICE
- FSM e semaforo
- Lockin
- Misura della costante di Boltzmann
- Implementazione ed utilizzo di un convertitore analogico digitale
Inolre si svolge una esperienza di fisica fondamentale in piu` a scelta.
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.
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 Vol1, pdf Vol2)
- R. Katz, G. Borriello, "Contemporary Logic Design", 2nd edition, Pearson Prentice Hall
Statistica e probabilità:
- Bevington, "Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences", McGraw-Hill, highered.mcgraw-hill.com/sites/0072472278/
- Frodesen-Kjeggestad, "Probability and statistics in particle physics", out of print
- Papoulis, "Probability, Random Variables, and Stochastic Processes", McGraw-Hill
- Lyons, "A Practical Guide to Data Analysis for Physical Science Students", Cambridge university press
- Bohm-Zech. "Introduction to Statistics and Data Analysis for Physicists", www-library.desy.de/preparch/books/vstatmp_engl.pdf
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 Vol1, pdf Vol2)
- R. Katz, G. Borriello, "Contemporary Logic Design", 2nd edition, Pearson Prentice Hall
Statistics and probability:
- Bevington, "Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences", McGraw-Hill, highered.mcgraw-hill.com/sites/0072472278/
- Frodesen-Kjeggestad, "Probability and statistics in particle physics", out of print
- Papoulis, "Probability, Random Variables, and Stochastic Processes", McGraw-Hill
- Lyons, "A Practical Guide to Data Analysis for Physical Science Students", Cambridge university press
- Bohm-Zech. "Introduction to Statistics and Data Analysis for Physicists", www-library.desy.de/preparch/books/vstatmp_engl.pdf
La frequenza al corso e' obbligatoria
Attendance is mandatory
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.
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
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.
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.