ECTS - University of Pisa
Durante il corso lo studente potrà:
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
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
Per la verifica delle conoscenze acquisite verrà utilizzato:
The student will be assessed on the following criteria: - during the course he or she must have been able to submit lab reports that clearly explain and discuss critically how the experience was conducted, what are the outcomes and problems - the final lab test aims to ascertain the student's ability to mount a simple electronics circuits, perform relevant measurements on it, and discuss critically the results - the oral exam the student has to demonstrate a broad knowledge of the course material and the ability to understand and tackle problems in analog and digital circuit, especially in their application to physics experiments.
Methods:
Further information:
The course heavily relies on the the laboratory work during the year which is assessed through lab reports that each student group (2 or 3 students) have to submit roughly every week. The final exam has a laboratory test, where the student has to do some measurements on an electronics circuit, and an oral examination. The relative weight of the three elements is not formally defined but it is roughly: lab reports 50%; final lab test 25%; final oral exam 25%.
The student will be assessed on the following criteria: - during the course he or she must have been able to submit lab reports that clearly explain and discuss critically how the experience was conducted, what are the outcomes and problems - the final lab test aims to ascertain the student's ability to mount a simple electronics circuits, perform relevant measurements on it, and discuss critically the results - the oral exam the student has to demonstrate a broad knowledge of the course material and the ability to understand and tackle problems in analog and digital circuit, especially in their application to physics experiments.
Methods:
Further information:
The course heavily relies on the the laboratory work during the year which is assessed through lab reports that each student group (2 or 3 students) have to submit roughly every week. The final exam has a laboratory test, where the student has to do some measurements on an electronics circuit, and an oral examination. The relative weight of the three elements is not formally defined but it is roughly: lab reports 50%; final lab test 25%; final oral exam 25%.
Al termine del corso lo studente sarà avrà:
Per la verifica delle capacità acquisite verrà utilizzato:
Durante il corso lo studente dovrà acquisire:
lavoro in gruppo
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.
Il corso si svolge con le seguenti metodologie:
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Mandatory
Teaching methods:
Delivery: face to face
Attendance: Mandatory
Learning activities:
Teaching methods:
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:
ed alcune esperienze di fisica fondamentale tra le seguenti:
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.
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:
Statistica e probabilità:
The course uses various textbooks in basic electronics: Millman - Microelectronics (several editions exists) Horowitz - The art of electronics Lesson transcripts are available for a large fraction of the course.
The course uses various textbooks in basic electronics: Millman - Microelectronics (several editions exists) Horowitz - The art of electronics Lesson transcripts are available for a large fraction of the course.
